Proyectos de gestión integral del medio hídrico: superación de planteamientos parciales mediante la integración compleja de factores interrelacionados Juan Ojeda Couchoud Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos; Jefe del Área de Estudios y Proyectos de la División de Obras Hidráulicas, Técnica y Proyectos, SA (TYPSA) jojeda@typsa.es RESUMEN: La cada vez mejor comprensión del medio físico con el que interactuamos dentro del campo de la ingeniería unido al desarrollo tecnológico y, muy en especial, de las herramientas de cálculo y caracterización de los procesos físicos que se dan en el mismo, nos permiten tener la posibilidad de analizar de forma integral aspectos que hace unos años sólo era posible estudiar mediante caracterizaciones parciales que solo a posteriori era posible integrar en esquemas complejos con objeto de reproducir hasta un nivel aceptable el funcionamiento de un sistema determinado. Estas limitaciones impedían ponderar correctamente algunos de los procesos que se dan de forma interrelacionada, lo que ha sido salvado tradicionalmente mediante ingeniosos modelos conceptuales o a través de simplificaciones aceptables. En la presente ponencia se presentan algunas ideas sobre esquemas de trabajo basados en arquitecturas de modelización compleja, haciendo uso de herramientas disponibles en el mercado, con el fin de integrar el mayor número de factores que participan en la caracterización de un medio físico determinado. Ámbitos como la planificación de recursos o la caracterización, en su concepción amplia, del medio fluvial, son especialmente indicados para plantear metodologías de trabajo de este tipo. Como experiencias concretas de este tipo de enfoque se presentan los trabajos realizados para el desarrollo sostenible de L Albufera de Valencia y los trabajos para la redacción del Plan para la defensa frente a la erosión del Monte de El Pardo, en Madrid. 1 Introducción El adecuado conocimiento del medio es la premisa básica sobre la que descansa el óptimo diseño de soluciones en el ámbito de la ingeniería, siendo éste tanto mayor cuanto mejor y más precisa sea la aproximación a la realidad sobre la que interactúa toda acción ingenieril. La complejidad de procesos que se desarrollan en un medio físico dado obligan a realizar la aproximación al mismo mediante modelos, entendidos éstos de forma amplia como simplificaciones, tanto de las leyes físicas que rigen los procesos, como de las interacciones o la extensión misma de los elementos o del marco en el que interactúan éstos. El desarrollo de la técnica permite caracterizar de una forma cada vez más fidedigna el medio con el que debemos interactuar, pudiéndose destacar dos ámbitos en los que el desarrollo técnico y tecnológico habilitan un mayor progreso: La mejor comprensión y caracterización física y matemática de las leyes que rigen los procesos que se quieren controlar a la hora de llevar a cabo una determinada acción en un medio físico dado. Contrariamente a lo que puede ocurrir en otros campos del conocimiento, la ingeniería civil interactúa con multitud de campos del conocimiento en los en la actualidad no se dispone todavía del adecuado conocimiento de los procesos físicos existentes, ni de cómo caracterizarlos de forma matemática. Unos pocos ejemplos son la producción, transporte y deposición de sedimentos en el medio fluvial, fenómenos transitorios en canales o conducciones en lámina libre, fenómenos erosivos por vertido en diques o presas, la caracterización de la interfase aire agua en rápidas, etc. siendo éstos sólo unos pocos ejemplos entre una lista que podría ser interminable de problemas en los que se continua buscando una mejor caracterización físico-matemática de un fenómeno determinado. El continuo progreso tecnológico de las herramientas de caracterización y cálculo, no sólo en lo referente a la cada vez mayor y más accesible capacidad de cálculo mediante los ordenadores personales, sino también en el desarrollo del conjunto de software y hardware que habilitan una capacidad de análisis impensable hasta hace relativamente pocos años. 1
La conjunción de estos aspectos, unida a una creciente capacidad de difusión de la información, lo que posibilita que el avance técnico recorra con mayor rapidez la cadena de transmisión del conocimiento, desde los centros de investigación hasta el conjunto de usuarios o interesados en un determinado área de conocimiento, se traduce en una mayor capacidad en conjunto para la resolución de forma integral de problemas que hasta hace relativamente poco sólo podían abordarse de forma muy simplificada, mediante aproximaciones que debían sacrificar alguno de los aspectos fundamentales en la caracterización de un medio físico determinado, ya fuera la extensión del ámbito de estudio, la caracterización de los elementos existentes, la simplificación de procesos o la reducción o desconexión de las interacciones posibles. El ámbito de la ingeniería del agua es especialmente propicio para plantear metodologías de trabajo que integren de forma compleja factores interrelacionados, por cuanto presenta una gran complejidad en la caracterización de sus procesos físicos, así como un elevado número de interacciones y relaciones entre los elementos que constituyen los sistemas hídricos. En la presente comunicación se abordan algunos ejemplos de cómo en el ámbito de la ingeniería del agua se han desarrollado arquitecturas de modelización complejas, con el objeto de integrar en un entorno de trabajo unitario herramientas y modelos de cálculo que permitan analizar de forma conjunta factores interrelacionados, con la consiguiente mejora en la resolución de la problemática planteada. En primer lugar se presentarán de forma genérica una serie de ámbitos de trabajo en los que se han desarrollado arquitecturas de trabajo integradas, centrándose en el análisis complejo de los procesos hidrológicos e hidráulicos en el ámbito de la gestión de las cuencas hidrográficas, la incorporación de los modelos para estimación de la erosión y la gestión del sedimento en el medio fluvial y la orientación de los modelos de gestión de cuenca a la explotación y gestión de los sistemas hídricos. Por último, se analizarán de forma sintética dos ejemplos de aplicación. Primeramente se revisarán los trabajos realizados dentro del Estudio para el Desarrollo Sostenible de L Albufera de Valencia (CHJ, 2004). Este trabajo supone una perfecta muestra de elaboración de un sistema de trabajo integrado con objeto de facilitar la descripción de la problemática existente en un sistema complejo, de forma que se disponga de una herramienta eficaz para el desarrollo de soluciones concretas a partir del análisis realizado. En segundo lugar se presentará el Plan para la Defensa frente a la Erosión del Monte de El Pardo en Madrid (Patrimonio Nacional, 2006) que supone un esquema de integración de módulos de cálculo en un entorno GIS para la determinación de los procesos de producción, movilización y tránsito de la fracción sólida dentro de un medio fluvial complejo, como complemento a los trabajos de caracterización cualitativa desarrollados. 2 Pautas para la elaboración de un entorno integrado de caracterización de un sistema hídrico: gestión de cuencas hidrográficas En los últimos años, se ha producido un desarrollo importante de los modelos matemáticos que simulan parcialmente los complejos procesos físicos que se producen en una cuenca hidrológica, conceptualizada ésta como un sistema complejo en el que se producen una serie de interacciones entre los elementos que lo configuran, dentro de un ámbito espacial determinado. En el entorno de los modelos hidrológicos, la generalización del uso de los Sistemas de Información Geográfica (SIG) ha permitido abandonar el enfoque tradicional de los modelos agregados para obtener modelos distribuidos, con división en ladera o subcuenca (aproximación pseudoagregada) o en celdas amorfas o regulares (modelos realmente distribuidos). Asimismo, la concepción cada vez más precisa del medio, ha dado pie a propuestas de cálculo mediante módulos de simulación físicamente basados, frente a los esquemas de cálculo empíricos y semiempíricos tan profusamente empleados con anterioridad. En lo referente a los modelos hidrodinámicos, el desarrollo de herramientas de cálculo en régimen variable y con módulos de cálculo en 2D o con conexiones 1D 2D y la disponibilidad cada vez mayor de Modelos Digitales del Terreno de gran detalle, han permitido simular con alto grado de exactitud fenómenos que hasta ahora se resolvían mediante simplificaciones en esquemas de cálculo unidireccionales en régimen espacialmente variado. Todo ello, unido a la necesidad cada vez mayor de concebir de forma integrada las distintas fases hidrológicas e hidráulicas que se producen en una cuenca determinada, de forma que se pueda analizar conjuntamente la fase superficial y la subterránea junto con el resto de procesos de interés en una gestión conjunta del territorio, llevan 2
a plantear la idoneidad de establecer un entorno de trabajo integrado, desde el que se pueda realizar de forma cómoda y rápida una simulación completa de los procesos de cuenca, con objeto de disponer de la información necesaria para el diseño de actuaciones específicas en el ámbito de la cuenca de estudio. Otros procesos de gran importancia en la gestión integral de la cuenca, como son los fenómenos de producción de sedimento, transporte y deposición, la evolución geomorfológica de los cauces y todos los aspectos relacionados con la calidad de las aguas, presentan la posibilidad de añadir módulos adicionales de cálculo compatibles con el entorno a desarrollar, y que deberían ser considerados a la hora de diseñar la arquitectura del sistema. En este sentido, resulta sumamente importante realizar el análisis previo de compatibilidad en el dominio espacio tiempo del conjunto de procesos que se vayan a integrar, ya que pudiera existir incompatibilidad entre ellos (eventos súbitos frente a sucesos de gran dilación temporal, por ejemplo). 2.1 Desarrollo del esquema de simulación El objetivo que se plantea es simular con un grado de aproximación adecuado los procesos físicos que se producen en la generación y tránsito de la escorrentía en una cuenca determinada. Es importante resaltar el significado de adecuado, por cuanto el nivel de definición y, por tanto, el esfuerzo de caracterización y simulación que deberá plantearse, debe ser proporcional a la importancia que un determinado aspecto del conjunto de procesos interrelacionados que se verifican en la realidad tenga respecto del resto, dentro de la problemática concreta que se está analizando. Si nos centramos en la modelización de un medio hídrico a nivel de cuenca, el primer nivel de análisis corresponde a la caracterización pluviométrica de la zona, como punto de partida del resto de procesos de simulación. En este nivel, resulta fundamental determinar si la modelación que se pretende realizar va a exigir un generador de clima continuo (simulación continua), o si por el contrario el esquema de cálculo se deberá orientar a la simulación de eventos. Sin detrimento de que análisis posteriores de las necesidades de caracterización de la fase subterránea obliguen a revisar el planteamiento inicial, lo más habitual es orientar la caracterización pluviométrica a un esquema de simulación de eventos, que permitan obtener una serie suficientemente completa de tormentas características como para identificar de forma adecuada la respuesta de la cuenca y diseñar las actuaciones correctoras pertinentes. Es importante destacar de nuevo la importancia de un adecuado diseño inicial de la arquitectura del modelo, por cuanto la elección de los módulos de cálculo a implementar van a determinar la capacidad final de la herramienta de análisis que se ha de desarrollar. Una vez identificadas las necesidades en cuanto a la caracterización pluviométrica del entorno de simulación, se procede a analizar los procesos de generación de escorrentía. Tal y como se enunció anteriormente, estos procesos pueden caracterizarse bien bajo aproximaciones pseudoempíricas tradicionalmente empleadas en los modelos más usados o mediante aproximaciones más físicamente basadas (método de Green-Ampt, modelos de Horton y Phillips, etc). La idoneidad de emplear una u otra aproximación depende principalmente de la posibilidad de caracterizar correctamente los parámetros que definen las ecuaciones de los modelos físicamente basados. Un método analítico en el que los parámetros no se caracterizan de forma adecuada puede arrojar errores de apreciación superiores a los de un método empírico cuyos parámetros, a base de estar contrastados por la experiencia, se encuentran perfectamente acotados y sancionados por la práctica. A partir de los procesos de precipitación escorrentía definidos en los niveles anteriores, se deberá proceder al cálculo hidráulico del tránsito del hidrograma a través de la red de drenaje definida en el análisis fisiográfico de la cuenca. Los modelos hidrológicos habituales, rara vez incorporan módulos de cálculo de tránsito completos, siendo normal el uso de aproximaciones de tipo conceptual (Muskingum, Muskingum Cunge, coeficientes de almacenamiento, etc) o, en el caso de modelos que disponen de módulos de tránsito más robustos, las simplificaciones se producen en la caracterización del caudal de escorrentía (modelos tipo TR-55 o EPIC, modificaciones del Método Racional). Así, los modelos hidrodinámicos más completos (basados como mínimo en soluciones numéricas de las ecuaciones de Saint Venant) suelen funcionar desconectados de los modelos hidrológicos, situándose en niveles de aplicación distintos. Esta desconexión entre los modelos matemáticos que caracterizan los distintos procesos reseñados, y a los que podrían añadirse otros, como la conexión de la fase superficial y la subterránea, los procesos de erosión en ladera y cauce, el transporte de sedimentos, la calidad de las aguas, etc., es la que se pretende superar en el presente trabajo, estableciendo un entorno único de gestión de usuario que permita la perfecta conexión entre los modelos de simulación más adecuados para la caracterización de la problemática que se pretende abordar. De forma esquemática, el esquema a seguir debería adoptar la disposición siguiente: 3
Imagen. Esquema secuencial de acoplamiento de módulos de cálculo 2.2 Arquitectura del sistema. Modulación frente a entorno cerrado El objetivo que se persigue con un enfoque integrado no es únicamente elegir y poner en funcionamiento una serie de modelos matemáticos que simulen a distinto nivel y de forma secuencial la evolución de la escorrentía, sino desarrollar un entorno de trabajo que permita de forma ágil y rápida simular el proceso completo de la forma más automática posible. Dado que normalmente será necesario realizar un análisis multiescenario que permita obtener una caracterización de las actuaciones óptimas a acometer mediante una disciplina de simulación determinada, la disponibilidad de una herramienta que automatice de la forma más sencilla posible la labor de cálculo de los distintos escenarios, será de gran ayuda para ahorrar tiempo y facilitar la labor de análisis experto necesaria en todo proceso de esta índole. El desarrollo de un entorno de trabajo integrado no tiene por qué implicar el uso de una única gama comercial de software, si bien de esta manera se asegura en mayor medida la compatibilidad de inputs y outputs en un proceso de alimentación secuencial de módulos de cálculo. En el caso de usar programas de distinta procedencia comercial o incluso desarrollados ad hoc para un determinado trabajo, se deberán crear cuantas herramientas sean necesarias para la correcta interacción entre ellos (programas de intercambio, preproceso y postproceso). Esta compatibilidad entre los diferentes módulos que integren el entorno de cálculo no se refiere únicamente a la adecuación de formatos en el tratamiento de archivos de entrada y salida, sino que, muy especialmente, a la compatibilidad en el entorno espaciotemporal de trabajo (compatibilidad entre modelos distribuidos y modelos agregados, intervalos temporales de cálculo homogéneos, adecuación de los factores de escala, etc.). El objeto de crear un entorno integrado de simulación tiene como único objetivo facilitar el proceso de simulación, habida cuenta del elevado número de escenarios que habitualmente se pretenden contemplar. No se establece mayor limitación en la arquitectura del sistema, salvo su correcta operatividad. Tanto una arquitectura a partir de un entorno comercial ya establecido al que se añadan módulos específicos, como una concepción modular en la que se establezcan los protocolos de intercambio adecuados puede ser admisible, primando en todo caso la celeridad y facilidad de manejo sea cual fuere la solución finalmente adoptada. 2.3 Flexibilidad del sistema. Ampliación de la capacidad de análisis dentro de una arquitectura abierta El esquema de modelización comentado hasta ahora se centra en la conexión de aquellos módulos de cálculo que se consideran primordiales para el análisis de los escenarios básicos para la toma de decisión en el ámbito indicado. 4
No obstante, existen otra serie de procesos físicos de gran importancia dentro de la gestión integral de una cuenca hidrográfica y que pueden igualmente integrarse dentro del entorno de trabajo que se propugna desarrollar. Entre ellos, son de destacar al menos: Procesos relacionados con la interacción de la fase de agua superficial con la fase subterránea. Procesos relacionados con la erosión hídrica en ladera, transporte de sedimentos, erosión y deposición en cauce y evolución geomorfológica de la red fluvial. Procesos asociados a la calidad de las aguas. Procesos asociados al análisis medioambiental del medio, especialmente en el ámbito fluvial. La búsqueda de un óptimo de diseño deberá posibilitar la fácil adición de módulos posteriores que caractericen estos procesos, evitando incompatibilidades, en especial en lo referente a los factores de escala. Esto supone idear desde un principio una arquitectura del sistema abierta, que posibilite una adición flexible de módulos adicionales, sin que esto signifique que no sea necesario ir desarrollando las herramientas necesarias de intercambio que exijan cada uno de los módulos que se vayan integrando en el entorno de trabajo. La gran ventaja de las arquitecturas abiertas frente a entornos cerrados, generalmente desarrollados para la solución de un tipo de problemas determinados, es la posibilidad de adecuar éstas a una mayor gama de problemas a analizar, si bien pagando en contrapartida un precio importante, en horas de trabajo en el diseño de la misma y en el desarrollo de las herramientas auxiliares de intercambio y proceso necesarias. 2.4 Adecuación del diseño del modelo a las necesidades de caracterización requeridas: Importancia de las especificaciones relativas a los módulos de cálculo a emplear Respondiendo al esquema de simulación esbozado en epígrafes anteriores, y concibiendo el modelo a desarrollar como una interrelación secuencial de módulos de cálculo específicos, a continuación se enumeran, de forma genérica, una serie de características a considerar en cada uno de ellos, con el objetivo de alcanzar un adecuado nivel de precisión en la simulación de los fenómenos físicos que se pretenden analizar. 2.4.1 Módulo meteorológico En el primer nivel de simulación se debe contar con un modelo de generación de precipitación, que sirva como alimentación a un modelo hidrológico de transformación precipitación escorrentía. El primer aspecto a considerar es el dominio espacial y temporal en el que se va a trabajar, que servirá para seleccionar un modelo adecuado, bien sea agregado o distribuido y con adecuado dominio temporal, orientado a eventos o a simulación continua. Si consideramos un esquema de trabajo orientado al dimensionamiento de infraestructuras, basados en los criterios estadísticos habituales, el modelo meteorológico se orientaría a una simulación en base a eventos, por lo que el modelo de cálculo elegido deberá ser capaz de producir una serie de hietogramas sintéticos o históricos de una determinada distribución espaciotemporal, en base al estudio de la estructura de las precipitaciones en el área de estudio. En este sentido, se deberá elegir un modelo capaz de gestionar adecuadamente la distribución de las tormentas, prefiriéndose por tanto aquellos modelos distribuidos o pseudodistribuidos frente a los que trabajan con unidades agregadas de cuenca. Así mismo, deberá establecerse la posibilidad de trabajar a una escala temporal variable, desde nivel horario a minutal. Dada la posibilidad de incluir en el desarrollo posterior de los trabajos la fase subterránea en la simulación de la cuenca, deberá tenerse en consideración la posibilidad de adaptar o desarrollar módulos que permitan escenarios de precipitación acordes con la escala temporal que implican estos procesos, de forma que no constituya un elemento limitativo de posteriores desarrollos del sistema. 2.4.2 Módulo de generación de escorrentía Una vez obtenida una selección de tormentas suficientemente representativa como para caracterizar de forma adecuada el comportamiento de la cuenca, se procederá a la obtención de la escorrentía generada, calculándose de esta manera la serie de hidrogramas de cálculo que alimentarán a su vez al módulo hidrodinámico. La característica principal del modelo de generación de escorrentía deberá ser su absoluta compatibilidad de escala respecto del módulo meteorológico. Así mismo, será necesario valorar el interés de que posea capacidades de 5
gestión distribuida de los parámetros de cálculo, ya que de esta manera se podrá realizar generalmente una caracterización más precisa del medio físico (siempre de que se disponga de información suficiente para ello). Otro aspecto a considerar es el uso de módulos de cálculo para caracterizar los procesos físicos de atrapamiento, infiltración, escurrimiento, etc. basados en metodologías básicamente empíricas o más físicamente basadas. A este respecto, se deberá analizar con detenimiento la disponibilidad de datos y parámetros de cálculo, así como la incidencia de los métodos adoptados en los posibles procesos de calibración del sistema. Será de gran interés analizar la disponibilidad de información temática a partir de la cual se puedan caracterizar los parámetros de cálculo, en base a estudios de tipo regional o local y que puedan ser incorporados al análisis distribuido del medio físico mediante herramientas de tratamiento del terreno. Consideraciones semejantes a las antes realizadas se pueden aplicar a la formación del hidrograma, debiéndose analizar la posibilidad de emplear metodologías físicamente basadas frente al esquema tradicional del hidrograma unitario de Sherman (onda cinemática, hidrograma geomorfológico) siempre que resulte justificado su uso en términos de mejora de la caracterización del fenómeno respecto de las metodologías habituales de análisis. 2.4.3 Módulo hidrodinámico Como parte básica del entorno de simulación que se está describiendo, se contempla la incorporación de un módulo de cálculo hidrodinámico suficientemente completo como para caracterizar de forma precisa los fenómenos que se pretendan analizar. Habitualmente, suelen concebirse de forma separada los trabajos hidrológicos de los hidráulicos, siendo usual el uso de modelos dispares ya se trate de analizar la cuenca a nivel hidrológico o el cauce y su llanura de inundación a nivel hidráulico. Dentro del planteamiento de integración de los módulos de trabajo en entornos homogéneos, se concebirán ambos niveles de análisis de forma armonizada. La clasificación de los modelos hidrodinámicos puede hacerse en función de sus capacidades de cálculo, estableciéndose claras diferencias en los siguientes aspectos: En función del régimen: modelos en régimen uniforme, estacionario espacialmente variado o en régimen variable. En función de la gestión del sedimento y la erosión: modelos geomorfológicos con actualización de forma de cauce y lecho móvil o modelos de lecho fijo. En función de la dimensión de los vectores de cálculo: modelos unidireccionales (más comunes), modelos bidimensionales (habitualmente restringidos a la caracterización de estuarios y zonas costeras) y modelos tridimensionales (modelos de difusión). El enorme costo, tanto en tiempo de computación, como en caracterización de las condiciones de contorno, como en la caracterización del medio; ha llevado a desarrollar metodologías simplificadas para simular de forma aproximada algunos fenómenos complejos desde planteamientos más sencillos. Un ejemplo claro lo constituyen los modelos pseudo bidimensionales, que acoplan cálculos unidireccionales con aproximaciones a fenómenos de claro componente superficial o las simplificaciones en la simulación del flujo a través de infraestructuras presentes en el cauce. El entorno de simulación que se propone desarrollar aspira a analizar de forma integrada una serie de aspectos relativos a la gestión del medio hídrico, por lo que aspectos como los procesos de inundación en zonas de acumulación (o de sacrificio), los procesos de rotura de diques fusibles, los vertidos laterales y la dinámica de inundación de las llanuras, la incidencia de las infraestructuras existentes, las incorporaciones de caudales y otra serie de escenarios habituales deberían considerase a la hora de elegir el modelo hidrodinámico a incorporar; lo que permite prever como regla general la insuficiencia del clásico esquema de simulación unidireccional en régimen espacialmente variado. Por ello, será necesario sopesar la idoneidad de incorporar al entorno de simulación un módulo hidrodinámico con capacidad para calcular fenómenos con clara componente bidimensional, así como con capacidad para gestionar el tránsito de los hidrogramas de cálculo tanto en régimen variable como en estacionario. Así pues, un modelo que se apoye en un entorno GIS, con capacidad de cálculo en 1D y 2D y con posibilidad de cálculo en régimen variable, aportaría a la herramienta de análisis a desarrollar una gran flexibilidad, considerándose especialmente idónea para la simulación de procesos físicos complejos pero muy habituales en este tipo de trabajos de caracterización del medio fluvial. Dado el considerable coste adicional que presentan los modelos bidimensionales puros, con definición de malla de un tamaño aceptable, cabe considerar la posibilidad 6
de emplear modelos pseudo bidimensionales o acoplados 1D 2D, sin detrimento de que en algunos casos se pueda establecer la necesidad de un cálculo bidimensional puro. Será importante considerar dentro de los modelos a emplear la posibilidad de caracterizar elementos singulares, tanto en el cauce como fuera de él, y de incorporar módulos de cálculo adecuados para simular su incidencia en el flujo. Así, el modelo deberá poseer la capacidad de simular correctamente el tránsito a través de puentes, azudes en línea, cálculo de vertederos laterales y cuantos otros elementos constituyan la morfología de la red de drenaje objeto del estudio. Los módulos hidrodinámicos se alimentarán desde el módulo de generación de escorrentía, por lo que resulta necesaria la compatibilidad de escala y formatos entre ambos, de forma que se pueda automatizar en el mayor grado posible la incorporación de la información procedente de uno en el otro. Por último, el modelo hidrodinámico que se integre dentro del esquema de simulación propuesto debería tener una buena capacidad de representación de resultados (tanto gráfica como tabular), de forma que resulte fácil y rápida la interpretación de los mismos. Dado el volumen de información que normalmente se genera en los trabajos de análisis al nivel que se está planteando, la eliminación del mayor número posible de procesos en el postratamiento de los datos resulta de especial importancia para reducir el tiempo de caracterización de la solución óptima en un proceso reiterativo de prueba y error, si es que no es posible adoptar una disciplina de simulación más metódica. 3 Ejemplos de aplicación 3.1 El Estudio para el Desarrollo Sostenible de L Albufera de Valencia El Estudio para el Desarrollo Sostenible de L Albufera de Valencia (CHJ, 2004), dirigido por D. Enrique Cifres Jiménez por parte de la Confederación Hidrográfica del Júcar y redactado por TYPSA bajo la dirección de D. Miguel Mondría García, constituye un claro ejemplo de voluntad de integrar en un enfoque amplio las complejas interrelaciones y procesos que afectan a un determinado medio natural, en este caso el lago de L Alfufera, junto a la ciudad de Valencia. Las labores de diseño y desarrollo fueron apoyadas por los profesores D. Félix Francés y D. Rafael García Bartual, de la Universidad Politécnica de Valencia. Imagen. Ámbito de trabajo. Determinación de cuencas vertientes a L Albuera de Valencia Los trabajos desarrollados abarcan la caracterización completa del medio natural y el análisis exhaustivo del funcionamiento del sistema hídrico conectado con el lago, incluyendo aspectos hidrológicos, hidráulicos, sociales, económicos y medioambientales. En esta ponencia se presentarán únicamente los trabajos desarrollados para la caracterización del régimen de aportaciones líquidas y sólidas realizadas por las cuencas propias del lago 7
de L Albufera. Los trabajos se iniciaron con un exhaustivo análisis topológico de la red de drenaje, empleando para ello herramientas SIG y apoyo de campo para verificar la red. A partir de estos datos se crearon los modelos hidrológicos para la caracterización de hidrogramas y sedimentogramas de avenidas. El modelo empleado para la caracterización de la pérdida de suelo, transporte y aportación de sedimentos en el lago fue el AGNPS (Agricultural Non-Point Source) del USDA/ARS. Dada la rigidez del módulo de cálculo precipitación escorrentía de este programa y la dificultad de considerar en el mismo los efectos de la distribución espaciotemporal de la lluvia, se decidió complementar los cálculos de escorrentía líquida mediante el modelo HEC-HMS del USACE, creando una metodología que permitía considerar los eventos de lluvia de forma distribuida y repercutir los caudales líquidos generados por HMS sobre la producción de sedimentos obtenida a partir de AGNPS. Para la obtención de las tormentas de diseño se empleó el modelo meteorológico RAINGEN desarrollado por la Universidad Politécnica de Valencia. En aquellas zonas donde se comprobó preponderancia de la escorrentía difusa se empleó el modelo hidrodinámico 1D-2D SOBEK de Delft Hydraulics para caracterizar el tránsito. Los parámetros hidrológicos fueron calibrados a partir de un evento observado en una de las cuencas en las que se disponía de un marco de control. Los valores obtenidos de aporte sólido al lago fueron contrastados con estudios batimétricos centrados en la caracterización del aporte sólido registrado en el mayor evento histórico registrado por el SAIH del Júcar. Adicionalmente, se desarrollaron una serie de herramientas auxiliares para el intercambio de la información entre los módulos de cálculo, el preproceso de datos y el postproceso de los mismos. El esquema de acoplamiento de los módulos de cálculo empleados fue el siguiente: Figura. Esquema de acoplamiento de módulos empleado en el Estudio para el Desarrollo Sostenible de L Albufera de Valencia Se puede apreciar que los módulos empleados de forma integrada para la caracterización del medio son programas comerciales, muchos de ellos de libre difusión. Esto supone que los esfuerzos a la hora de desarrollar aplicaciones informáticas se centran únicamente en las herramientas de intercambio. Uno de los aspectos básicos y de mayor complejidad a la hora de lograr el acoplamiento entre cada programa y fase de cálculo es la homogeneización de los dominios espacio-temporales de cada uno. Estos aspectos son básicos habida cuenta de la importancia que pueden tener incluso a la hora de plantear la viabilidad de futuras ampliaciones dentro de la arquitectura inicialmente diseñada. En el esquema siguiente se muestra un ejemplo de homogeneización espacial entre los modelos HEC-HMS y AGNPS, ambos con capacidades hidrológicas pero orientados dentro del esquema de trabajo desarrollado para fines distintos: Figura. Homogeneización del dominio espacial entre modelos hidrológicos 8
El esquema desarrollado debió simplificarse para facilitar la estimación del tránsito del sedimentograma a través de la red fluvial, debido a la rigidez del módulo hidrológico del AGNPS, lo que forzó su sustitución por las capacidades pseudodistribuidas del HEC-HMS y el RAINGEN. La capacidad de transporte de la red se obtuvo a partir de curvas que relacionaban volumen de avenida con aporte sólido neto, a partir de una batería de simulaciones conjuntas de HEC-HMS y AGNPS. De esta manera se logró obtener una herramienta versátil, capaz de simular tormentas sintéticas distribuidas y obtener el aporte líquido y sólido al lago de L Albufera conectando módulos meteorológicos, hidrológicos e hidrodinámicos. Los trabajos desarrollados incluyeron también la implementación de módulos de calidad de aguas, rematándose la concatenación de programas matemáticos con la introducción dentro de la secuencia de cálculo de un modelo tridimensional del lago para estimar la progresión de lo sólidos y contaminantes dentro del mismo y evaluar las salidas al mar. 3.2 El Plan para la Protección Frente a la Erosión del Monte de El Pardo en Madrid El Plan para la Protección frente a la Erosión del Monte de El Pardo (Patrimonio Nacional, 2006) dirigido por D. Francisco Tomé de la Vega por parte de Patrimonio Nacional, y redactado por Tecnoma (Grupo TYPSA) bajo la dirección de Antonio López Santalla, es otro ejemplo de cómo la integración de módulos de cálculo permite obtener herramientas flexibles capaces de caracterizar con un nivel de aproximación adecuado complejos procesos físicos en un medio natural determinado, en este caso, el Monte de El Pardo, junto a la ciudad de Madrid. Los trabajos que se presentan en esta ponencia constituyen la parte de caracterización cuantitativa de los procesos erosivos dentro del monte, medio natural de gran singularidad en un entorno prácticamente urbano, y que sirvieron de complemento a los trabajos de caracterización cualitativa que se desarrollaron en paralelo. Figura. Modelo conceptual a partir del cual de desarrolló el entorno de trabajo para la estimación de la erosión en el Monte de El Pardo La arquitectura del sistema diseñado consistió en implementar sobre una plataforma GIS algoritmos de cálculo para la estimación distribuida de la pérdida de suelo a partir de la conocida ecuación de la USLE. Para ello, se empleó de forma parcial el programa AGNPS referido anteriormente. Paralelamente, se caracterizó fisiográficamente la cuenca y se obtuvieron, mediante el programa HEC-HMS una serie de valores de caudal clasificados según los periodos de retorno y a partir de los datos de caudal medio en la red hidrográfica disponibles. Finalmente, se modelizó la red fluvial mediante el programa HEC-RAS, del U.S. Army Corps of Engineers, el cual posee a partir de su versión v3.1.3. un módulo para el cálculo de la capacidad de transporte de sedimentos de un tramo dado, a partir de las fórmulas de Yang, Meyer-Peter y Muller, Engelund-Hansen, Ackers-White, Laursen (Copeland) y Toffaleti. De esta forma, se tenía por un lado caracterizada la aportación bruta y por otra la capacidad de transporte de la red. El principal problema era nuevamente la homogenización 9
espacio-temporal de los módulos de cálculo. En el caso del dominio espacial, se procedió a una adición por celdas vertientes a un determinado tramo de la red fluvial, empleando para ello herramientas GIS. No obstante, la agregación temporal suponía un reto mucho mayor, al tenerse la tasa anual de pérdida de suelo y deberse homogeneizar con el régimen hidrológico de la red fluvial. Para lograr esta transposición, se hizo uso de la teoría del caudal dominante, en su acepción como caudal medio que realiza en un año el mismo trabajo que el conjunto de caudales fluyentes en un tramo de río dado. Imagen. Ejemplo de obtención del caudal dominante Una vez que se obtuvo el caudal representativo para evaluar la capacidad de transporte de cada uno de los tramos agregados considerados en el análisis espacial de la problemática, según las características de cada arco de la red fluvial, se evaluó de forma sencilla el estado de agradación o degradación, obteniéndose índices para cada cuenca de erosión potencial, erosión neta, capacidad de transporte de la red fluvial, estado de la red en función de su equilibrio transversal y evaluación del balance sólido y líquido entre las cuencas aportantes al área del Monte de El Pardo y sus salidas. Imagen. Interrelación entre los módulos de escorrentía líquida y producción de sedimento en el Plan para la protección frente a la erosión del Monte de El Pardo De esta forma se logró desarrollar una herramienta para evaluar las zonas más sensibles a la erosión y estimar cuantitativamente la gravedad de los procesos de degradación identificados. Este trabajo fue completado con extenso trabajo de comprobación en campo, que permitió contrastar la información obtenida y esbozar un plan de acción para la protección del medio objeto de estudio. 10
Bibliografía MIMAM (2004): Estudio para el desarrollo sostenible de L Albufera, dirigido por la Confederación Hidrográfica del Júcar. Clave 08.803.190/0411. Disponible en www.albufera.com.es. Patrimonio Nacional (2006): Plan de Defensa Frente a la Erosión del Monte de El Pardo (Madrid). Salsón, S. y García Bartual, R. (2003): A space-time rainfall generator for highly convective Mediterranean rainstorms". Natural Hazards and Earth System Sciences European Geosciencies Union. Vol. 3: 103-104. Bingner, R.L. y Theurer, F.D. (2001): AnnAGNPS Technical processes. USDA. U.S. Government. USACE (2006): HEC-RAS Hydraulic Reference Manual v3.1.3.. López Santalla, A., García Cobos, J. y Ojeda Couchoud, J. (2006): La ingeniería para la protección de la biodervisidad: lucha contra la erosión en el Monte de El Pardo (Madrid). III Congreso de Ingeniería Civil, Territorio y Medio Ambiente. Zaragoza. Octubre 2006. Ojeda Couchoud, J. Et al (2004) Metodología para la determinación del aporte líquido y sólido al lago de La Albufera de Valencia mediante el acoplamiento complejo de los modelos HEC HMS y USDA AGNPS. II Congreso de Ingeniería Civil, Territorio y Medio Ambiente. Santiago de Compostela. Septiembre 2004. Castillo Elsitdié, L. et al (2000) Importancia del muestreo y limitaciones de las formulaciones existentes en el cálculo del transporte de sedimentos. XIX Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Córdoba. 11