ESTIMACIÓN DE VOLÚMENES Y PICOS DE ALUDES TORRENCIALES Y PRODUCCIÓN DE SEDIMENTOS EN CUENCAS DEL ESTADO VARGAS

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1 JOSÉ LUIS LÓPEZ SÁNCHEZ - INSTITUTO DE MECÁNICA DE FLUIDOS FACULTAD DE INGENIERÍA - UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA ESTIMACIÓN DE VOLÚMENES Y PICOS DE ALUDES TORRENCIALES Y PRODUCCIÓN DE SEDIMENTOS EN CUENCAS DEL ESTADO VARGAS Jacinto Artigas 1 y José Rafael Córdova 2 1 Laboratorio Nacional de Hidráulica 2 Universidad Central de Venezuela - Universidad Simón Bolívar jlartigam@gmail.com, jcordova@usb.ve RESUMEN En este trabajo se resumen los resultados obtenidos en la estimación de los caudales máximos y los volúmenes que produjeron los aludes torrenciales ocurridos en diciembre de 1999 en cuencas del Litoral Central del estado Vargas de Venezuela (Córdova y González, 2003). En el caso de los volúmenes máximos asociados a estos eventos se utilizaron dos metodologías de estimación; la primera, desarrollada por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos de América (USACE, 2000) la cual se basa en modelos de regresión y, la segunda metodología, es la descrita por O Brien (2000) a través de la cual se estiman los hidrogramas de flujo de detritos a partir de los hidrogramas de caudales líquidos. Para la estimación de los caudales máximos de los hidrogramas de flujos de detritos, que salen de la cuenca tributaria, se utilizan las metodologías de análisis descritas en las referencias Takahashi (1991) y O Brien (2000). Adicionalmente, se describe la aplicación del modelo SWAT a los fines de estimar la producción (ordinaria) de sedimentos en una cuenca de Vargas (río San José de Galipán), lo cual permite ilustrar las capacidades que tiene este tipo de modelo para la cuantificación de los volúmenes de sedimentos, que se generan en una cuenca, producto del efecto de la erosión laminar (sin deslaves). ESTIMATION OF VOLUMES AND PEAKS OF DEBRIS FLOWS AND SEDIMENT YIELD IN VENEZUELAN WATERSHEDS LOCATED IN VARGAS STATE ABSTRACT In this study, total debris volumes and peak s debris-flow hydrographs are estimated in Venezuelan watersheds, located in Vargas State, affected by December 1999 extreme storms (Córdova y González, 2003). Debris volumes are estimated using two methodologies, one developed by the U.S. Army Corps of Engineers (USACE, 2000) which is based on a regression analysis model, and other described by O Brien (2000) that estimates debris volumes by bulking water flood hydrographs. On the other hand, estimation of peak s debris flow hydrographs is carried out using the equations developed by Takahashi (1991) and those applied by O Brien (2000) in FLO-2D model. Additionally, SWAT model application on San José de Galipán watershed, is described in order to analyze the importance of sediment yield, in Vargas basins, in comparison with debris flows extraordinary occurrences. Palabras Clave: Aludes torrenciales, deslaves, flujo de detritos, producción de sedimentos. 239

2 LECCIONES APRENDIDAS DEL DESASTRE DE VARGAS Aportes Científico-Tecnológicos y Experiencias Nacionales en el Campo de la Prevención y Mitigación de Riesgos INTRODUCCIÓN La ocurrencia de hidrogramas de crecidas extremas en los torrentes o quebradas que drenan la Cordillera de la Costa en su vertiente litoral, en el estado Vargas, ha traído consigo serios problemas de arrastre y deposición de sedimentos, y escombros, en los tramos inferiores de las quebradas. En la catástrofe ocurrida en diciembre de 1999, se observó el efecto que tienen estos aludes torrenciales, reduciendo las capacidades de las secciones transversales de las quebradas, generando el consiguiente desborde lateral, produciendo inundaciones de importancia y creando grandes conos de deyección que se inician a la salida de las gargantas de las cuencas y finalizan en su descarga al mar. En la referencia González y Córdova (2002), se hace un análisis de las características del fenómeno meteorológico que produjo la tragedia de Vargas en 1999, así como de los hidrogramas de crecidas extremas generados, en cada una de las cuencas afectadas. Mientras que en la referencia Córdova y González (2002) se describe la estimación de estos hidrogramas, incluyendo el efecto de los aludes torrenciales, y haciendo énfasis en dos aspectos muy importantes para el diseño de las obras de control que son, el volumen total de detritos arrastrados por estos eventos extraordinarios y las descargas máximas de estos hidrogramas, incluyendo el efecto de los aludes torrenciales. Por este motivo, el principal objetivo del presente trabajo corresponde a la descripción de las estimaciones realizadas, en las cuencas de Vargas, sobre la cuantificación de los volúmenes asociados a la ocurrencia de aludes torrenciales, caudales máximos de los hidrogramas de flujo de detritos y la producción ordinaria de sedimentos que se generan anualmente en estas cuencas, producto de la erosión laminar (sin deslaves). En la primera parte de este trabajo se presenta un resumen de los resultados obtenidos por Córdova y González (2002), analizándose, en primer lugar, dos metodologías para la estimación de los volúmenes máximos asociados a estos eventos extremos, la primera, desarrollada por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos de América (USACE, 2000) la cual se basa en modelos de regresión y, la segunda, descrita por O Brien (2000) a través de la cual se estiman los hidrogramas de flujo de detritos a partir de los hidrogramas de caudales líquidos. Por otra parte, para la estimación de los caudales máximos de los hidrogramas de flujos de detritos, que salen de las cuencas tributarias, se describen las metodologías de análisis utilizadas por JICA (2000), basada en las ecuaciones desarrolladas por Takahashi (1991), y la aplicada por O Brien (2000) para definir el hidrograma de entrada al modelo FLO-2D. Ambos métodos de análisis permiten estimar el pico de los hidrogramas que incluyen los aludes torrenciales. Posteriormente, se analiza la estimación de la producción de sedimentos en la cuenca del río San José de Galipán, a los fines de describir una aplicación de modelos de simulación en la estimación de la producción ordinaria de sedimentos, en cuencas del litoral central, que no incluyen la ocurrencia de deslaves o aludes torrenciales. Esta aplicación fue desarrollada por Artigas (2004), como parte del Proyecto Iniciativa Científica del Milenio, llevado a cabo por el Instituto de Mecánica de los Fluidos (IMF) de la Universidad Central de Venezuela (IMF-UCV). Finalmente, se presentan las principales conclusiones derivadas de estas experiencias. ESTIMACIÓN DE LOS VOLÚMENES Y CAUDALES MÁXIMOS QUE PRODUJERON LOS ALUDES TORRENCIALES OCURRIDOS EN DICIEMBRE DE 1999 Para la estimación de los volúmenes que produje ron los aludes torrenciales ocurridos en diciembre de 1999, en cuencas del Litoral Central del estado Vargas, en la referencia Córdova y González (2002) se utilizan dos metodologías. La primera, desarrolla da por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos de América (USACE, 2000) la cual se basa en modelos de regresión y, la segunda corresponde a la descrita por O Brien (2000), a través de la cual se estiman los hidrogramas de flujo de detritos a partir de los hidrogramas de caudales líquidos. Por otra parte, para la estimación de los caudales máximos de los hidrogramas de flujos de detritos, que salen de la cuenca tributaria, se utilizan dos metodologías de análisis, una basada en las ecuaciones desarrolladas por Takahashi (1991) y la otra es la utilizada por O Brien (2000) en el modelo bidimensional FLO-2D. 240

3 JOSÉ LUIS LÓPEZ SÁNCHEZ - INSTITUTO DE MECÁNICA DE FLUIDOS FACULTAD DE INGENIERÍA - UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA Estimación de los volúmenes de detritos depositados en las gargantas y conos de deyección de las cuencas de Vargas afectadas por el evento ocurrido en diciembre de 1999 Según Córdova y González (2002), la estimación de los volúmenes de detritos acumulados durante el evento de 1999 se realizó utilizando la información topográfica existente, a escala de restitución 1:1000, tanto de la garganta y cono de deyección. En el caso del mar se utilizó la batimetría, posterior a la ocurrencia de los aludes torrenciales, y como batimetría anterior se realizó una estimación suponiendo la ubicación de los sitios donde la pendiente de la batimetría actual terminaba con relación al cono de deyección. Este procesamiento se realizó en cada una de las cuencas afectadas por esta eventualidad. El procedimiento de análisis consistió en superponer la información topográfica levantada después del evento del 1999, sobre la información topográfica existente antes de la ocurrencia de dicho evento. Posteriormente, se procedió al cálculo de los volúmenes a través de la generación de dos superficies que permitieron definir secciones transversales, cada cinco metros (sobre el perfil del curso de agua), para el cálculo de los volúmenes. En la Tabla 1 se presenta un resumen de los volúmenes obtenidos en las doce cuencas analizadas, donde, adicionalmente se incluye el área tributaria a cada una de las cuencas. Tabla 1. Estimación de los volúmenes de detritos depositados durante el evento extremo de diciembre de 1999, en las cuencas del Litoral Central. Calibración del modelo del USACE El método desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército Americano (USACE, 2000), permite la estimación de la producción de detritos (arenas, limo, arcilla, grava, cantos rodados, rocas, materia orgánica, etc.) en una cuenca, debido a la ocurrencia de tormentas extremas; pudiéndose cuantificar la cantidad de material que llegaría hasta una determinada estructura de retención, o trampa de sedimentos, o cualquier otro tipo de obras de control de torrentes. Una de las razones por la cuales el USACE (2000) tomó la decisión de desarrollar un método de estimación basado en la ocurrencia de eventos extremos específicos, y no el análisis de toda la serie de datos de tormentas, fue a partir de la revisión de los datos de concentración de sedimentos en suspensión en cuencas (registrados por el U.S. Geological Survey); ya que, a manera de ejemplo, en una cuenca (quebrada San Diego) en California, durante el período , el 99% del volumen total anual de sedimentos en suspensión se produjo en menos del 4% del tiempo, adicionalmente, el 80% de ese volumen se produjo durante la ocurrencia de una tormenta en particular. Mientras más pequeña es la cuenca, la asociación a eventos específicos es mayor. La producción total de detritos en una cuenca, además de incluir la producción del material que viaja en suspensión, también debe incluir el material que viaja como arrastre de fondo, el cual varía enormemente durante la ocurrencia de una crecida y que generalmente se ubica entre el 5% y el 50% de la producción total. Dada la gran dificultad que representa la medición de esta carga de fondo, además de la que viaja como suspensión, la mejor forma de estimar los volúmenes totales de producción de detritos ha sido a través de batimetrías periódicas de las capacidades útiles de los embalses y/o lagunas de acumulación de este tipo de material. Por este motivo, en el estudio del USACE (2000), se utiliza como información básica el volumen total de detritos medido a través de levantamientos batimétricos realizados después de la ocurrencia de eventos de tormentas extremas. El método de estimación está basado en análisis de regresión múltiple entre los volúmenes de detritos observados y un conjunto de variables fisiográficas, hidrológicas y/o meteorológicas. 241

4 LECCIONES APRENDIDAS DEL DESASTRE DE VARGAS Aportes Científico-Tecnológicos y Experiencias Nacionales en el Campo de la Prevención y Mitigación de Riesgos En la cuencas de Vargas, al igual a lo descrito en la referencia USACE (2000), las variables que mejor determinan la producción unitaria de detritos (por unidad de área) corresponden al área de la cuenca, la pendiente promedio y el caudal unitario máximo (pico del hidrograma de crecida por unidad de área) asociado a un determinado período de retorno. De esta manera, el tipo de ecuación que mejor se ajusta ría a cuencas como las analizadas en este estudio, tiene la siguiente estructura: Log 10 (DY)=C 1 +C 2 *Log 10 (Qu)+C 3 *Log 10 (RR)+C 4 * Log (A) (1) 10 donde: Log 10 : Logaritmo en base 10 DY : Producción unitaria de detritos (m 3 /km 2 ) RR : Pendiente (%) A : Área de drenaje (km 2 ) Q u : Caudal unitario máximo (m 3 /s/km 2 ) C 1,, C 4 : Parámetros de ajuste En la Tabla 2 se resume la información básica que permite la estimación de los parámetros C 1,.., C 4 (para las cuencas monitoreadas en Vargas); a través de la aplicación de un modelo de regresión múltiple. La información correspondiente a caudales máximos varía en función del período de retorno (Tr) asociado y el escenario de análisis considerado. Para asignarle el período de retorno de los caudales máximos, ocurridos durante el evento de diciembre de 1999, se usó la hipótesis descrita en la referencia González y Córdova (2002), según la cual la tormenta se centró sobre las cuencas que se ubican desde Camurí Chico hasta Uria, asignándoles un período de retorno de años; mientras que en las cuencas restantes se supuso un período de retorno de 500 años. Para la estimación de la ecuación de regresión, los caudales considerados corresponden a los generados para la situación de las cuencas, después de la ocurrencia de los aludes torrenciales. Utilizando la información contenida en la Tabla 2, se procedió a la aplicación de un modelo de regresión múltiple obteniéndose los resultados que se muestran en la siguiente ecuación: A los fines de ilustrar los errores de estimación asociados a cada una de las cuencas, se presentan los cálculos de estos errores a nivel de los logaritmos de los módulos de producción unitaria de detritos y de los valores originales de producción total. Los resultados de estos errores se presentan en la Tabla 3, y, adicionalmente, se ilustran en la Figura 1. Analizando los resultados mostrados en la Tabla 3 y en la Figura 1, se observa que los errores de estimación son inferiores al 30 %, y el coeficiente de correlación entre los volúmenes estimados y observados está en el orden de 0.9. Estimación de los volúmenes depositados a la salida de cada cuenca, asociados a la ocurrencia de la crecida centenaria Una vez definida la ecuación de regresión, que permite la estimación del volumen de detritos depositados a la salida de cada cuenca y asociados a períodos de retorno específicos, en la referencia Córdova y González (2002), se realiza la estimación del volumen de detritos asociado a la ocurrencia de crecida centenaria. En esta aplicación se consideró el escenario de cálculo de caudales máximos para las condiciones que tenían las cuencas un año después de la ocurrencia de los aludes torrenciales de Este escenario, es el más conservador, ya que produce un mayor volumen de detritos. En este caso se aplicó la ecuación de regresión, utilizando los caudales máximos unitarios (Q u ) correspondientes a los picos de los hidrogramas de las crecidas centenarias, en cada cuenca, para el escenario que considera la cuenca con patrones de cobertura vegetal similares a los que se tienen en la actualidad, después de la ocurrencia de los aludes torrenciales (González y Córdova, 2002). La información utilizada para la aplicación de la ecuación de regresión se resume en la Tabla 4; mientras que los resultados obtenidos, siguiendo una metodología similar a la descrita en la sección anterior, se presentan en la Tabla 5 y la Figura 2. Log 10 (DY)= *Log 10 (A) *Log 10 (Qu) *Log 10 (RR) (2) 242

5 JOSÉ LUIS LÓPEZ SÁNCHEZ - INSTITUTO DE MECÁNICA DE FLUIDOS FACULTAD DE INGENIERÍA - UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA Tabla 2. Información requerida para la aplicación del método del USACE. Tabla 3. Evaluación del error de estimación en cada cuenca. Estimación de los volúmenes potenciales de arrastre de detritos y caudales máximos de los hidrogramas totales, utilizando el método descrito por O Brien (2000). Esta estimación se hace utilizando la metodología propuesta por O Brien (2000) para el caso del Cerro Grande, según la cual el hidrograma de flujo de detritos se estima a partir del hidrograma de flujo de agua multiplicado por un factor que es función de la concentración volumétrica de detritos; posteriormente, estos resultados se comparan con los obtenidos a través de una metodología similar a la descrita por USACE (2000). Las ecuaciones utilizadas por O Brien (2000) son las siguientes: Q t = BF * Q l (3) BF = 1 (4) 1 - C V 243

6 LECCIONES APRENDIDAS DEL DESASTRE DE VARGAS Aportes Científico-Tecnológicos y Experiencias Nacionales en el Campo de la Prevención y Mitigación de Riesgos Figura 1. Comparación entre volúmenes de detritos observados y estimados. Donde, Q t =Caudal total de flujo de detritos (m 3 /s) Q l =Caudal líquido (m 3 /s) BF =Factor de volumen (Bulking Factor) C V =Concentración volumétrica de detritos Según la referencia O Brien (1998), para flujo de detritos el valor del C v varía entre 0.20 (para flujos bajos) y 0.45 (para flujos altos). Para el caso del río Cerro Grande, O Brien (IMF, 2000) asocia los diferentes valores de C v a los caudales líquidos del hidrograma de crecidas, según se establece en la Figura 3. A los fines de estimar el volumen total de detritos que puede ser arrastrado por la ocurrencia de la crecida centenaria (para el escenario que considera la afectación de las cuencas por los aludes torrenciales), se aplicaron las ecuaciones anteriores, a los hidrogramas múltiples para tres días de duración correspondientes a cada una de las cuencas de interés (Córdova y González, 2002). En la Tabla 6 se resumen los resultados obtenidos Tabla 4. Caudal máximo de la crecida centenaria después de los aludes torrenciales. 244

7 JOSÉ LUIS LÓPEZ SÁNCHEZ - INSTITUTO DE MECÁNICA DE FLUIDOS FACULTAD DE INGENIERÍA - UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA Tabla 5. Estimación del volumen depositado por la crecida centenaria. Escenario después de aplicando la metodología descrita por O Brien (2000) conjuntamente con los resultados correspondientes a la aplicación de la ecuación de regresión (USACE, 2000) para el escenario correspondiente a la situación de las cuencas después del año Adicionalmente en la tabla se incluye una relación entre ambos resultados, que se ilustra en la Figura 4 como una función del área de la cuenca. La explicación de la variación entre los resultados obtenidos entre ambas metodologías puede ser la siguiente: La ecuación de regresión (Ecuación N 2) fue derivada utilizando los valores de volúmenes de sedimentos acumulados (en la garganta, cono de deyección y la costa) durante el evento de 1999, por lo tanto, está basada en valores depositados y no en el volumen total de sedimentos arrastrados por el Figura 2. Volúmenes de detritos generados por el hidrograma de la crecida centenaria. 245

8 LECCIONES APRENDIDAS DEL DESASTRE DE VARGAS Aportes Científico-Tecnológicos y Experiencias Nacionales en el Campo de la Prevención y Mitigación de Riesgos Figura 3. Variación del valor de C v en función del hidrograma de la crecida centenaria. evento. En cuencas pequeñas, para que el volumen estimado por la metodología de O Brien (2000) iguale al estimado por la ecuación de regresión se requiere de valores de C v superiores a 0.45, lo que determinaría que el tipo de flujo pasa de flujo de detritos (Mud Flood) a flujo hiperconcentrados (mud flows) y/o deslizamiento de tierra (landslides). En cuencas grandes, la metodología de O Brien estima el flujo total de detritos, parte del cual se deposita en las gargantas y conos aluviales, mientras que el resto sigue su curso hasta el mar. Este último supuesto debe verificarse a través de un balance de masa en la cuenca. Según estos argumentos lo más probable es que los volúmenes potenciales de detritos asociados a la ocurrencia de la crecida centenaria sean iguales al máximo de los valores obtenidos por ambas metodologías. Adoptando este criterio se pasa a aplicar un modelo de regresión múltiple similar al descrito por el USACE (2000) a estos resultados. En la Tabla 7 se incluyen las variables de dicha regresión, la cual arroja como resultado la siguiente ecuación. Log 10 (DY)= *Log 10 (A) * Log 10 (Qu) * Log 10 (RR) (5) Tabla 6. Volúmenes de detritos asociados a la crecida centenaria. 246

9 JOSÉ LUIS LÓPEZ SÁNCHEZ - INSTITUTO DE MECÁNICA DE FLUIDOS FACULTAD DE INGENIERÍA - UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA Figura 4. Relación entre las estimaciones de los volúmenes asociados a la crecida centenaria estimados según la ecuación 7 y el método de O Brien (2000). En la Tabla 7 se presenta la comparación entre los datos adoptados como volúmenes asociados a la crecida centenaria y los estimados aplicando la ecuación N 5. Estos resultados también se ilustran en la Figura 5, donde se observa que el coeficiente de correlación entre ambas series es del orden de Finalmente, aceptar que el valor mínimo de la concentración máxima (que se produce cuando ocurre el pico de la crecida) utilizada en la aplica ción de la metodología descrita por O Brien (2000), es igual a 0.45; implica que el factor mínimo, por el cual se debe multiplicar el gasto líquido máximo a los fines de obtener el gasto máximo de flujo de detritos, será del orden de Dado que la ecuación 5, es una ecuación de regresión, al igual como se describe en USACE (2000), su aplicación tiene una serie de limitaciones. En este caso, las principales limitaciones son las siguientes: Estas ecuaciones fueron derivadas para las cuencas ubicadas en el Litoral Central del norte de Venezuela, que se ubican entre los ríos Camurí Grande y Piedra Azul. Tabla 7. Resultados de la aplicación de la ecuación

10 LECCIONES APRENDIDAS DEL DESASTRE DE VARGAS Aportes Científico-Tecnológicos y Experiencias Nacionales en el Campo de la Prevención y Mitigación de Riesgos Sólo es aplicable a cuencas cuyo tamaño varía entre 3.1 y 40 km 2. Es válido para cuencas montañosas con pen dientes pronunciadas, que van entre 17 y 42 %. El período de retorno de los eventos extremos debe ser igual o superior a 100 años. No se debe utilizar en cuencas con caudales unitarios máximos inferiores a 18 m 3 /s/km 2. A manera de ilustración, en la referencia Artigas (2006) se trató de aplicar la metodología del USACE (2000) descrita en Córdova y González (2003), en las cuencas de las quebradas Tacagua y La Zorra; sin embargo, las características de dichas cuencas estaban fuera de la limitaciones de aplicabilidad del modelo, razón por la cual arrojaron resultados poco confiables. Estimación de los caudales máximos del flujo de detritos Para la estimación de los caudales máximos del flujo de detritos, en la referencia Córdova y González (2002), se utiliza la metodología descrita en la referencia JICA (2000), la cual se basa en los desarrollos de Takahashi (1980). Utilizando estas ecuaciones y los datos observados, en dicha referencia se determina la relación del volumen de detritos (V s ) generados en el evento de 1999, en cada una de las cuencas analizadas, y el volumen de agua que lo produjo (V a ). En la Figura 6, se presentan los valores de estas relaciones en función del área de la cuenca. Con esta información se deriva el factor por el cual hay que multiplicar el caudal líquido máximo (pico del hidrograma de crecidas), a los fines de obtener el caudal máximo que toma en consideración el acarreo de detritos. Esta ecuación es la siguiente: Donde: (6) V s :Volumen de detritos en m 3 Q t :Caudal total (máximo) de flujo de detritos en m 3 /s V a :Volumen de agua en m 3 Q p :Caudal líquido (máximo) en m 3 /s Suponiendo para el caso de las cuencas del litoral, : 1.4 t/m 3 : 2.6 t/m 3 Se obtienen los resultados que se muestran en la Figura 7, donde se grafica el factor que multiplica Q p (ver ecuación N 6) a los fines de estimar Q t. En esta figura se grafica este factor como una función del área de la cuenca. Según recomendaciones de O Brien (2000) este factor debería tener una cota Figura 5. Comparación entre los volúmenes adoptados y los obtenidos a través de la ecuación

11 JOSÉ LUIS LÓPEZ SÁNCHEZ - INSTITUTO DE MECÁNICA DE FLUIDOS FACULTAD DE INGENIERÍA - UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA máxima igual a dos, ya que valores superiores corresponderían a concentraciones superiores al 50%, que tienen una probabilidad de ocurrencia muy baja y la categoría de flujo pasaría de crecida de lodos (mud flood) a flujo de lodos (mud flow) que sería un flujo de material más plástico y cohesivo y/o a deslizamientos de tierra (landslides). APLICACIÓN DE MODELOS DE SIMULACIÓN PARA LA ESTIMACIÓN DE LA PRODUCCIÓN ORDINARIA DE SEDIMENTOS Una de las aplicaciones más recientes, sobre modelos de simulación que estiman la producción ordinaria de sedimentos en las cuencas de Vargas, es la descrita en la referencia Artigas (2004). El estudio se llevó a cabo en la cuenca del río Galipán, como parte del Proyecto Iniciativa Científica del Milenio, formulado por el Instituto de Mecánica de los Fluidos (IMF) Figura 6. Variación de la relación Vs/Va respecto al área de la cuenca. Figura 7. Factor que multiplica Qp para estimar Qt. 249

12 LECCIONES APRENDIDAS DEL DESASTRE DE VARGAS Aportes Científico-Tecnológicos y Experiencias Nacionales en el Campo de la Prevención y Mitigación de Riesgos de la Universidad Central de Venezuela (UCV). Esta cuenca se encuentra ubicada en la vertiente Norte del Parque Nacional El Ávila, y descarga sus aguas hacia la población de Macuto, en el Litoral Central, y se caracteriza por presentar un alto grado de intervención humana, debido a la presencia de un sistema de producción agrícola basado, principalmente, en la floricultura y horticultura. Limita al este con la quebrada El Cojo, al sureste con la cuenca de la quebrada Camurí Chico, al este con la cuenca de la quebrada La Alcantarilla, al suroeste con la cuenca de la quebrada Guanare, al sur con la cuencas de la quebradas Arauco, Cotiza, Gamboa y Chacaíto. Las diferencias altitudinales y topográficas presentes determinan importantes variaciones climáticas y de tipos de vegetación. En torno al clima, la diferenciación más evidente es la temperatura, registrándose valores medios desde 27 ºC a nivel del mar, hasta 5 ºC en su máxima altitud. En referencia a la vegetación, en las zonas bajas se caracteriza por ser xerófila; en la zona media por estar compuesta, principalmente, por arbustos y gramíneas, mientras que las laderas adyacentes al cauce de las quebradas presenta una densa vegetación tipo bosque de galería; y la parte alta, es típico el bosque tropical húmedo cambiando a vegetación de sub-páramo arbustivo en las partes más altas de la cuenca. En la Figura 8, se muestra la ubicación de la cuenca y de las estaciones pluviométricas Macuto y Hotel Humboldt, localizadas en las partes baja y alta, respectivamente. A los fines de caracterizar los suelos de la cuenca, en este estudio se llevó a cabo un muestreo, el cual se hizo de modo que fuese representativo de toda el área de la quebrada, considerando las partes alta y baja. A las muestras se les determinó el contenido de arcilla, limo, arena, materia orgánica y permeabilidad. La erodabilidad del suelo, se expresó a través del factor K, en la ecuación MUSLE, que fue determinado utilizando la ecuación de Wischmeier y Smith, la cual considera, la textura (contenido de arcilla, limo y arena), contenido de materia orgánica, estructura y permeabilidad. En la Tabla 8, se muestra los valores obtenidos de las muestras en el laboratorio. Como se puede observar en esta tabla, los suelos muestreados no presentaron contenido de arcilla, la ausencia de material cohesivo trae en consecuencia una mayor erodabilidad; sin embargo, a pesar que en algunos casos el alto contenido de materia orgánica mitiga esta situación, en general, se puede decir que los suelos presentes en las subcuencas son altamente erodables. Figura 8. Ubicación de las estaciones pluviométricas. Tabla 8. Cálculo del Factor K. Descripción del modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool) SWAT es un modelo que opera de modo continuo a intervalos diarios. El objetivo del desarrollo del modelo fue predecir el impacto que tienen las prácticas de manejo de tierras en la producción de agua, sedimentos y agroquímicos, en grandes y complejas cuencas que presentan heterogeneidad en cuanto a suelo, uso y manejo de la tierra. Para satisfacer dicho objetivo, el modelo (a) tiene una base física; (b) usas entradas reales disponibles; (c) es 250

13 JOSÉ LUIS LÓPEZ SÁNCHEZ - INSTITUTO DE MECÁNICA DE FLUIDOS FACULTAD DE INGENIERÍA - UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA computacionalmente eficiente para operar grandes cuencas en tiempos razonables, y (d) es continuo en el tiempo y capaz de simular largos períodos para calcular el efecto de cambios en el manejo de las cuencas. El modelo está compuesto de tres (3) grandes componentes, los cuales son: (a) climático, el cual puede generar precipitación, temperatura, radiación solar, y otras variables climáticas; (b) hidrológico, este componente se encarga de calcular el escurrimiento superficial, infiltración, variación e interflujo entre los acuíferos libres y confinado, evaporación, aquí también se calcula el tránsito en canales de los caudales generados; y por último un componente (c) agronómico, el cual maneja los nutrientes, pesticidas, desarrollo de cultivos y prácticas de manejo agrícola. A través del acople de estos componentes el modelo permite manejar, de forma dinámica a lo largo de la simulación, una gran cantidad de variables que definen la pérdida de suelo y la producción de sedimentos. El modelo cuenta con una base de datos, para el tipo de uso y cobertura vegetal, suelo, clima y agroquímicos, la cual cuenta con la información de todas las variables que requiere. En el caso de clima y suelo, esta base de datos no resulta de gran ayuda, ya que esta se refiere a las estaciones y tipo de suelo presentes en los EE.UU., sin embargo, la base de datos de los agroquímicos y del uso y cobertura vegetal si resulta de gran utilidad, ya que cuenta con registros de tipos de cultivos y cobertura así como productos que se presentan o emplean en nuestro país. La versión empleada en este estudio corresponde a SWAT2000, la cual hace uso de una interfaz GIS, montada sobre ArcView 3.2, la interfaz de entrada GIS permite automáticamente subdividir a la cuenca en estudio en grilla de celdas o subcuencas y luego extraer los datos de entrada al modelo desde las capas de información de los distintos mapas y datos relacionales asociados a cada una de las subcuencas. Suelo, uso de la tierra, clima, manejo y data topografía son tomados y escritos en formato apropiados a los archivos de entrada al modelo. Esta interfaz le permite al usuario mostrar mapas y gráficos de los datos de salida de forma general o por subcuenca. integrados por los mapas digital de elevación, suelos, uso y cobertura vegetal, hidrografía, y clima (ubicación de las estaciones). En la Figura 9 se muestra el mapa digital de elevación. En la Figura 10 se muestra el mapa de suelos donde se identifican tres tipos: suelos de valle, suelos de ladera y suelos de filas. Los primeros poseen una mayor profundidad, y contenido de materia orgánica, se ubican alrededor de los cursos de agua, y son ocupados por bosques de galería, los segundos tienen una menor profundidad y contenido de materia orgánica que los primeros, se ubican como su nombre lo indica en las laderas de las vertientes de los cauces de la quebrada; y por último, los suelos de fila son los menos desarrollados son muy pocos profundos y poseen muy poca materia orgánica. En base a las muestras de suelo tomadas en campo, y en combinación con los ortofotomapas se trazó un mapa de suelo, que se basa principalmente en las profundidades medidas en campo así como la distribución de sus contenidos de arcilla, limo, arena, y de materia orgánica. Figura 9. Mapa digital de elevación. Instrumentación del modelo SWAT Para la aplicación del modelo SWAT, se crearon los mapas de entrada que requiere la interfaz GIS, 251

14 LECCIONES APRENDIDAS DEL DESASTRE DE VARGAS Aportes Científico-Tecnológicos y Experiencias Nacionales en el Campo de la Prevención y Mitigación de Riesgos presente en la desembocadura de la cuenca. En la Tabla 9 se muestra la distribución de cada una de las categorías dentro de la cuenca. Como se puede observar en esta tabla, el área intervenida por la actividad agrícola es cercana al 20% de la superficie de la cuenca, motivo por el cual se justifica el empleo de un modelo que pueda simular la dinámica de los procesos que implica dicha actividad. Figura 10. Mapa de suelo. Basándose en el modelo digital de elevación, el modelo crea en capas separadas que contienen el trazado de los cauces, así como de las subcuencas, considerando la distribución del suelo y el uso y cobertura vegetal. La cuenca se dividió en seis subcuencas, una en la cuenca baja, dos en la cuenca media y tres en la cuenca alta, como se puede observar en la Figura 12. En base a la interpretación de ortofotomapas se identificaron las diferentes unidades de uso y vegetación presentes en la cuenca, esto permitió elaborar el mapa que se muestra en la Figura 11. En la elaboración de este mapa se emplearon cinco categorías: AGRL, que corresponde al uso agrícola; FRSD, corresponde a bosques semideciduos y vegetación arbustiva; FRSE, en esta categoría se engloba los bosque siempreverdes, que comprenden los bosque de galería, selva nublada, etc., y corresponde a la unidad que presenta un mayor grado de cobertura y protección al suelo; PAST, se refiere a zonas donde predominan las gramíneas, representada por sabanas de gramíneas, o zonas intervenidas donde se ha eliminado la vegetación original y ha sido remplazada por pastos naturales y, por último, tenemos la categoría URLD, que se refiere a zonas de intervención urbana concentrada, Figura 11. Mapa de uso y cobertura vegetal. Tabla 9. Distribución del uso y cobertura vegetal en la cuenca. 252

15 JOSÉ LUIS LÓPEZ SÁNCHEZ - INSTITUTO DE MECÁNICA DE FLUIDOS FACULTAD DE INGENIERÍA - UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA Figura 12. Cauces y subcuencas. La cuenca total tiene dos cauces principales, la quebrada San José de Galipán propiamente dicha, a la cual tributan las subcuencas tres y seis, y la quebrada Los Perros, conformada por las subcuenca dos, cuatro y cinco. En la Tabla 10 se muestra la información del área y elevación de cada una de las subcuencas. 1975, ya que el mismo cuenta con información pluviométrica concomitante entre ambas estaciones lo suficientemente íntegra para poder ser empleada. Una vez cargada toda la data y conformados los archivos de entrada del modelo, se procedió a tratar de calibrar la producción de agua simulada. La cuenca no cuenta con registros hidrométricos que puedan ser empleados como control o calibración, por esto se recurrió a emplear el modelo paramétrico (basado en el modelo del SCS) que fue calibrado en siete subcuencas de la vertiente sur del Ávila (Artigas, 2003) que contaban con registros hidrométricos. Con los parámetros obtenidos en dicha calibración, se corrió el modelo en la cuenca de San José de Galipán, para así poder emplear como control el hidrograma de caudales medios mensuales obtenido. En la Figura 13 se muestra los hidrogramas obteni dos tanto del modelo paramétrico como del modelo SWAT, puede observarse la alta concordancia entre ambos, registrándose un factor de correlación de Se obtuvo un caudal medio anual de 161 l/s. En la Figura 14, se presentan los valores de caudal medio anual versus áreas de la cuencas, obtenidos en la simulación de las quebradas de la vertiente sur, observándose que el valor obtenido para la cuenca de San José de Galipán sigue la misma tendencia de los anteriores. Tabla 10. Área, pendiente y elevación media de las subcuencas. En general, todas las subcuencas presentan una alta pendiente cuyo valor medio esta alrededor del 60%, lo que las hace más sensible a la pérdida de suelo. Luego de revisar y procesar los registros de precipitación diaria disponible en las estaciones de Hotel Humboldt y Macuto, se estableció el período de simulación de ocho años entre Estimación de la producción de sedimentos usando el modelo SWAT La producción de sedimentos es calculada aplicando la ecuación de MUSLE (Modified of Universal Soil Loss Equation) la cual ha sido desarrollado por, J.R. Williams y Berndt, investigadores del USDA. Se deriva de la ecuación USLE, donde sus autores sustituyeron 253

16 LECCIONES APRENDIDAS DEL DESASTRE DE VARGAS Aportes Científico-Tecnológicos y Experiencias Nacionales en el Campo de la Prevención y Mitigación de Riesgos el factor erosividad de las lluvias, por un factor de escorrentía, incrementando la precisión predictiva y posibilitando su aplicación en eventos individuales. Se aplica a nivel de cuencas a los fines de predecir el impacto de las prácticas de manejo de aguas y suelos sobre la producción de sedimentos. La ecuación MUSLE viene dada por la siguiente expresión: Y = 11.6 (q p x Q) 0.56 x K x P x C x LS Donde: Y = Sedimentos producido por un evento dato en toneladas métricas q p = Caudal pico del evento (m 3 /s) Q = Volumen total de escorrentía del evento (m 3 ) K = Factor relativo a la erodabilidad del suelo P = Factor relativo a las prácticas de manejo conservacionista del suelo C = Factor relativo a la cobertura vegetal LS = Factor relativo a la topografía Los resultados se muestran en la Tabla 11, ob teniéndose una producción de sedimentos, media anual, para la cuenca total del orden de 950 t/km 2, esto viene a representar unas toneladas al año. De acuerdo a esta tabla las subcuencas con el mayor modulo de producción de sedimentos son las número seis y cinco, debido a que en las mismas se desarrolla la actividad agrícola presente en la cuenca. En el caso de la subcuenca seis su módulo de producción es dos veces mayor al promedio de la cuenca total. Si tomamos los módulos por área de produc ción de sedimentos de las subcuencas y calculamos el total ponderado, obtenemos un valor de 1070 t/ km 2, esto indica que alrededor de 120 t/km 2, algo más del l0% se queda en el tránsito, saliendo de la cuenca solo 950 t/km 2 como se indicó anteriormente. Si comparamos la producción de sedimentos de la cuenca de San José de Galipán, con los valores calculados en las subcuencas de la vertiente sur (Artigas, 2003), se puede observar que está por encima de la tendencia que producen estos valores, lo cual se explica por la intervención antrópica que se presenta en dicha cuenca. CONCLUSIONES En este trabajo se describen los efectos de aludes torrenciales ocurridos en las cuencas del estado Vargas en 1999, haciendo énfasis en dos aspectos muy importantes para el diseño de las obras de control que son, las descargas máximas de los hi drogramas que incluyen estos aludes y el volumen total de detritos arrastrados por estos eventos extremos. Para la estimación de volúmenes máximos asociados a estos eventos se describieron dos me todologías, la primera, desarrollada por el USACE (2000) la cual se basa en modelos de regresión y la metodología utilizada por O Brien (2000) a través de la cual se estiman los hidrogramas de flujo de detritos a partir de los hidrogramas de caudales líquidos. Utilizando ambas metodologías se esti maron los volúmenes de detritos asociados a la ocurrencia de la crecida centenaria, en cada una de las cuencas analizadas. Luego se compararon y analizaron estos resultados llegándose a estimar un conjunto de volúmenes definitivos que permitió Tabla 11. Módulo de producción de sedimentos. 254

17 JOSÉ LUIS LÓPEZ SÁNCHEZ - INSTITUTO DE MECÁNICA DE FLUIDOS FACULTAD DE INGENIERÍA - UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA Figura 13. Hidrogramas de caudales mensuales. Cuenca San José de Galipán - Período Figura 14. Caudal medio anual versus área de la cuenca. 255

18 LECCIONES APRENDIDAS DEL DESASTRE DE VARGAS Aportes Científico-Tecnológicos y Experiencias Nacionales en el Campo de la Prevención y Mitigación de Riesgos la obtención de una ecuación de regresión que arroja un coeficiente de correlación, entre el valor adoptado y el valor estimado, de Por lo tanto, la conclusión más importante de esta parte del estudio corresponde a la derivación de la ecuación 5, mediante la cual, se puede estimar el volumen de detritos asociado a la ocurrencia de la crecida centenaria como una función de las áreas de las cuencas tributarias, los caudales máximos de los hidrogramas de esta crecidas y las pendientes de los drenajes principales. Para la estimación de los caudales máximos de los hidrogramas de flujos de detritos que salen de la cuenca tributaria se utilizan dos metodología de análisis; la utilizada por JICA (2000) basada en las ecuaciones desarrolladas por Takahashi (1991) y la aplicada por O Brien (2000) para definir el hidrograma de entrada al modelo FLO-2D. Los resultados obtenidos con la aplicación de las ecuaciones de Takahashi (1991) se expresan a través de la estimación de un factor que debe multiplicar el caudal máximo del hidrograma de gastos líquidos a los fines de obtener el caudal máximo de flujo de detritos. Este factor se expresa como función del tamaño de la cuenca y tiene un valor mínimo del orden de 1.6. Una de las implicaciones más importantes de estos resultados está en la inconveniencia de transitar hidrogramas de flujos de detritos utilizando modelos unidimensionales; ya que el movimiento del flujo de detritos dentro de los cursos de agua está sometido a bloqueos temporales de las secciones de flujo, variaciones continuas de las formas de estas secciones, cambios de concentración debido a diluciones o a entradas laterales de este tipo de material, etc., que no son consideradas en forma adecuada dentro la estructura de estos modelos unidimensionales. Por este motivo, es que se recomienda la utilización de modelos bidimensionales. Adicionalmente, en este trabajo se describe la aplicación del modelo SWAT a los fines de estimar la producción (ordinaria) de sedimentos en la cuenca del río San José de Galipán. Esta representa una aplicación de modelos de simulación en la estimación de la producción ordinaria de sedimentos en cuencas del Litoral Central, que no incluyen la ocurrencia de deslaves o aludes torrenciales. Dicha aplicación fue desarrollada por Artigas (2004), como parte del Proyecto Iniciativa Científica del Milenio, llevado a cabo por el Instituto de Mecánica de los Fluidos (IMF) de la Universidad Central de Venezuela (IMF-UCV). Es importante destacar que la producción de sedimentos, promedio anual, estimada en la cuenca del río Galipán, es inferior al 1% del volumen producido por los deslaves que ocurrieron en diciembre de REFERENCIAS Artigas J. (2004). Aplicación del modelo SWAT2000 en la cuenca San José de Galipán. IMF-UCV. Artigas J. (2006). Proyecto PREDERES, IMF- UCV, CORPOVARGAS. Córdova J.R. y González, M. (2003). Estimación de los volúmenes y caudales máximos que produjeron los aludes torrenciales ocurridos en diciembre de 1999 en Cuencas del Litoral Central del estado Vargas, Venezuela. Acta Científica, Vol. 54, Suplemento N 1. González, M. y Córdova, J.R. (2003). Estimación de hidrogramas de crecidas en cuencas del Litoral del norte de Venezuela, luego de los aludes torrenciales de diciembre de Acta Científica, Vol. 54, Suplemento N 1. González, M. y Córdova, J.R. (2000). Consideraciones sobre la probabilidad de ocurrencia de lluvias máximas en la zona Litoral del norte de Venezuela. En: Seminario Internacional. Los aludes torrenciales de Diciembre de 1999 en Venezuela. Universidad Central de Venezuela Facultad de Ingeniería. O Brien, J. (1997). Debris-Flow termination (or deposition) processes. In: Debris-Flow Hazard Mitigation. Mechanics, Prediction and Assessment. Proceedings of first international Conference. ASCE American Society of Civil Engineers. Takahashi, T., Y. Satofuka y K. Keizo. (1997). Dynamics of Debris Flows in the Intertial 256

19 JOSÉ LUIS LÓPEZ SÁNCHEZ - INSTITUTO DE MECÁNICA DE FLUIDOS FACULTAD DE INGENIERÍA - UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA Regime. In: Debris-Flow Hazard Mitigation. Mechanics, Prediction and Assessment. Proceedings of first international Conference. ASCE American Society of Civil Engineers. Takahashi. T. (1991). Debris Flow. TAHR-AIRH. Monograph. International Association of Hydraulic Research. US Army Corps of Engineers. (2000). Debris Method. Los Angeles District Method for Prediction of Debris yield. 257

20 258 LECCIONES APRENDIDAS DEL DESASTRE DE VARGAS Aportes Científico-Tecnológicos y Experiencias Nacionales en el Campo de la Prevención y Mitigación de Riesgos