1. Ciencia

XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
AMH
DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
AMH
INFLUENCIA DEL DRAGADO EN LA REDUCCIÓN DEL ÁREA INUNDABLE PRODUCTO
DEL DESBORDAMIENTO DEL RÍO BAJO GRIJALVA
González Villarreal Fernando Jorge, Carrillo Sosa Juan Javier, Mastache Mendoza Víctor Ignacio
y Cerón Mayo Ana Rocío
Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito Escolar S/N, Edificio 5,
Ciudad Universitaria, Del. Coyoacán, México D.F., México. C.P. 04510
[email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
Introducción
El estado de Tabasco se conforma por 17 municipios entre los
que destacan Villahermosa, Cárdenas, Comalcalco,
Huimanguillo y Macuspana como los más poblados. Sin
embargo, la división que nos interesa es la que se presenta
debido a la red hidrográfica. Es así que Tabasco se divide en
dos regiones hidrológicas (RH), la 29 o Coatzacoalcos y la 30
o Grijalva-Usumacinta definidas por los principales ríos que
las forman. La RH29 se divide a su vez en siete subcuencas de
las cuales, la cuenca del río Tonalá y Lagunas del Carmen y
Machona es la que influye en Tabasco con aproximadamente
24.8% de extensión territorial, mientras que la RH30
comprende el 75.2% restante dividiéndose en tres cuencas:
Río Usumacinta (29.2%), Laguna de Términos (4.5%) y Río
Grijalva-Villahermosa (41.5%) (II-UNAM, 2008).
(carreteras, obstrucciones y ocupación de zonas federales, etc.)
cuyo impacto se ha acrecentado a lo largo de los años (IIUNAM, 2009).
A través de este artículo se presenta la influencia que tiene el
dragado en un tramo del río del Bajo Grijalva sobre la
reducción de las áreas inundables aledañas a éste (Ilustración
1), con el fin de determinar la efectividad de este tipo de
acción estructural como una medida de control contra
inundaciones. Los modelos para estimar inundaciones juegan
un rol importante en la generación de estrategias de manejo de
estos desastres.
Proveniente de la sierra de Chiapas el río La Sierra en su
inicio lleva el nombre de río Oxolotán pasando por la
comunidad de Tapijulapa recibe el nombre de río La Sierra,
poco antes de la comunidad de Pueblo Nuevo, se le unen los
caudales del río Puyacatengo y el Teapa, y más adelante el
Pichucalco. En la ciudad de Villahermosa se une con el río
Carrizal para finalmente recibir el nombre de río Grijalva (IIUNAM, 2009).
Se reconoce internacionalmente que las inundaciones tanto
costeras como fluviales son los peligros naturales más
frecuentes y devastadores. Recientemente, la prevención,
evaluación y manejo de los eventos de inundación se han
convertido en un gran tema de interés debido a que se ha
incrementado la frecuencia e intensidad de las inundaciones
extremas registradas en todo el mundo. Tal es el caso del
estado de Tabasco, en donde a partir de la tercera semana del
mes de octubre de 2007 se presentaron varias depresiones
tropicales y frentes fríos que generaron lluvias intensas y
continuas. Estos eventos dieron lugar a la peor inundación que
se haya reportado en la entidad, misma que cubrió gran parte
de su territorio (II-UNAM, 2012).
Las estimaciones sobre la población afectada rebasan el millón
de personas, además de los problemas sociales, de salud,
económicos y ecológicos que se generaron y que aún ahora
son objeto de evaluación y remediación. El desbordamiento
de los ríos Grijalva y Carrizal, junto con la lluvia que se
presentó localmente, ocasionaron que la ciudad de
Villahermosa se inundase en un 80% de su territorio. La
ciudad quedó incomunicada al colapsarse las vías de
comunicación. La infraestructura de protección contra
inundaciones falló al romperse bordos y diques debido a una
combinación de factores naturales y factores antropogénicos
Ilustración 1. Zona de Estudio.
Metodología
Para el desarrollo del dragado, se realizó un levantamiento de
la batimetría del río y con esta información se realizó un
análisis hidráulico del funcionamiento en condiciones actuales
aplicando el modelo HEC-RAS, el cual es un modelo de tipo
unidimensional desarrollado por el departamento de defensa
de los Estados Unidos de América en conjunto con el Centro
de Ingeniería Hidrogeológica en Davis, California.
Posteriormente se propuso una ampliación en el área
hidráulica de las secciones transversales y se determinó un
volumen de dragado.
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Por otro lado, el modelo digital de elevaciones se obtuvo del
INEGI a través de la información topográfica LiDAR (Light
Detection and Ranging) con una resolución a cada 5 metros.
Posteriormente, para analizar la zona de estudio deseada se
recortó el área a través de la herramienta Global Mapper la
cual es una aplicación que se utiliza para el procesamiento de
datos de Sistemas de Información Geográfica (SIG) así como
otras funciones entre las que encontramos el cálculo de
distancias y áreas, construcción de mallas, análisis espectrales,
consulta de elevaciones, etc. (Blue Marble Geographic, 2014).
El área de estudio coincidió con la zona del río Bajo Grijalva
en donde éste se hace más angosto, todo esto con el fin de
obtener resultados más apreciables y conclusiones más
concretas. La herramienta que se utilizó durante la
observación y selección de dicha área fue Google Earth, el
cual permite ver imágenes de satélite, mapas, imágenes de
relieve y edificios 3D de cualquier lugar de la Tierra (Google
Earth, 2014).
En las modelaciones se analizaron los siguientes escenarios:
sin y con dragado de la zona, para un periodo de retorno de 10
años conforme a un estudio hidrológico efectuado
previamente en la región, por el Instituto de Ingeniería de la
UNAM en el año 2008, en donde se utilizó un Sistema de
Información Geográfica (SIG) para dividir la cuenca del río
Bajo Grijalva y así dar seguimiento a las trayectorias del
escurrimiento directo hasta llegar al sitio de estudio.
Se obtuvo el hidrograma de entrada (Ilustración 2) de la
cuenca a través del programa computacional Modelo de
Pronóstico de Escurrimiento (MPE) desarrollado por el
mismo Instituto de Ingeniería (Domínguez et al, 2008). Este
hidrograma es de 10 días, por lo que se complementó al inicio
de éste con un gasto base de 8 días de duración con un valor
igual a 1,000 m3/s y 5 días del mismo gasto base
adicionalmente al final del hidrograma, obteniendo como
resultado un hidrograma de 23 días. Lo anterior con la
finalidad de reproducir mejor las modelaciones, dado que los
ríos se encuentran con un tirante inicial que en el modelo
matemático se desconoce. Los valores correspondientes al
hidrograma se muestran en la Tabla 1 y corresponden a las
estaciones Tapijulapa, Puyacatengo, Teapa, Pichucalco.
Tabla 1. Hidrograma de escurrimiento (Domínguez, 2008).
Tiempo (días)
Tiempo (seg)
Gasto (m3/s)
1
86,400
1,488
2
172,800
1,743
3
259,200
2,135
4
345,600
2,821
5
432,000
4,655
6
518,400
3,454
7
604,800
2,410
8
691,200
1,925
9
777,600
1,595
10
864,000
1,406
Ilustración 2. Hidrograma de entrada (II-UNAM, 2008).
Después se aplicó el modelo bidimensional IBER desarrollado
por la Universidad Politécnica de Cataluña. La Ilustración 3
muestra los pasos sintetizados para ejecutar una modelación
en este software.
Inicialmente se procesó el modelo digital de elevaciones a
través de un RTIN (Triangulated Irregular Network), el cual
previamente fue delimitado, cortado y convertido en el
formato adecuado para el procesamiento en IBER.
Posteriormente, la hidrodinámica del cauce correspondió al
hidrograma de entrada de 23 días ilustrado anteriormente que
sirvió como condición de frontera aguas arriba; mientras que
la condición de frontera aguas abajo se indicó manualmente
para un tránsito libre de la avenida. El tiempo de simulación
corresponde al tiempo del hidrograma, en este caso es de 23
días, aproximadamente 2 millones de segundos; mientras que
los intervalos de tiempo para visualización de resultados
fueron cada 1,500 segundos.
Procesamiento del MDE mediante
un RTIN
Introducción de las condiciones de
frontera, condiciones iniciales y datos
de simulación
Generación de una malla estructurada
para superficies
Introducción de la rugosidad de
Manning en el modelo completo
Ejecución de la modelación y
visualización de resultados
Ilustración 3. Metodología empleada para las modelaciones en
IBER.
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Enseguida se generó una malla estructurada para la superficie
con las características del RTIN, las cuales son las siguientes:



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Tolerancia = 1
Lado máximo = 10,000
Lado mínimo = 15
Una vez creada la malla, se introdujo la rugosidad de
Manning, en este caso se escogió un coeficiente estándar de
0.025 por ser un cauce natural, sinuoso y con poca vegetación
y se aplicó para el modelo completo.
Finalmente se ejecutó cada simulación y se visualizaron los
resultados.
De esta manera se analizó la hidrodinámica de este tramo de
cauce y se evaluó el efecto en el cambio en las áreas
inundables producto del dragado propuesto. La calibración y
validación del modelo se efectuaron utilizando los datos de
gasto y niveles de agua medidos para los diferentes escenarios.
Análisis de resultados
En primer lugar se presenta la simulación correspondiente al
cauce sin dragar, seguida del cauce dragado y por último, una
comparación entre ambos.
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Posteriormente, la metodología indica la ejecución del
preproceso, que incluye la introducción de las condiciones de
frontera, condiciones de inicio, tiempo de simulación,
rugosidad, generación de malla y ejecución de la modelación.
Finalmente, se realizó el postproceso, es decir, la visualización
de los resultados, los cuales se presentan a continuación:
La Ilustración 5 muestra la simulación que pertenece al día 13
(Día 5, según la Tabla 1), que corresponde al instante posterior
al gasto pico, cuyo valor es 4,655 m3/s. El tirante máximo
alcanzado en el cauce es aproximadamente 12 metros y ocurre
en un área limitada al inicio del cauce analizado.
Para la simulación de este día, ya destacan algunas manchas
de inundación y también es notorio el funcionamiento de las
lagunas de regulación aledañas. Las áreas inundables se
señalan en la ilustración dentro de un círculo rojo y presentan
un tirante comprendido entre 0.8 y 1.5 m. La laguna (también
comprendida dentro de un círculo) es notable por el tirante que
alcanzó, aproximadamente 4 metros, ya que éste abarca gran
parte de su área total, por lo que es probable que ésta sea una
de las zonas que más repercusiones tendrá.
Escenario sin dragado. Cauce natural
Siguiendo con la metodología empleada para las modelaciones
en IBER, el primer paso es el procesamiento del modelo
digital de elevaciones (ver Ilustración 4). Se observa que la
profundidad máxima del cauce y de las lagunas de regulación
tiene una magnitud de -10 msnm. Esto significa que el cauce
analizado está por debajo del nivel medio del mar, y en
consecuencia corresponde a una zona baja en relación a sus
alrededores, los cuales pueden llegar a alcanzar hasta los 31
msnm.; sin embargo, es notorio que la cota de elevación de
una gran parte de la zona de estudio es negativa, lo que
provocaría desbordamientos e inundaciones en el área.
Ilustración 5. Simulación correspondiente al día 13, escenario del
cauce sin dragado.
El final de la simulación, después de 23 días de hidrograma, se
presenta en la Ilustración 6, en donde los tirantes del cauce
crecieron con valores variables que van desde 0.1 metros hasta
alcanzar 7 metros sobre el nivel medio del mar.
Ilustración 4. MDE para el escenario sin dragado del cauce.
Respecto a la ilustración anterior, algunas manchas de
inundación desaparecieron, esto es consecuencia de la zona
lagunar que rodea al cauce principal pues existe una mayor
amortiguación por parte de las lagunas para retener el agua.
Sin embargo, debido a los desbordamientos del cauce se
crearon otra manchas de inundación. Por otro lado, la laguna
principal, señalada dentro del círculo rojo en la ilustración,
presenta tirantes con valores comprendidos entre 4.2 y 6
metros, lo cual es un indicativo de un desbordamiento del
cauce y por lo tanto, afectaciones a las localidades aledañas.
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Para la simulación se amplió la sección 30 m más de cada
margen (derecha e izqueirda) en todo el cauce y se
conservaron el coeficiente de Manning y la hidrodinámica
descrita anteriormente. Los resultados de la simulación del día
13 (Día 5, según Tabla 1) para el cauce dragado corresponden
al instante posterior al gasto pico igual a 4,655 m3/s y se
muestran en Ilustración 8. Se observa la aparición de manchas
de inundación en la misma ubicación que las señaladas en la
Ilustración 5; sin embargo, es notoria una disminución en las
áreas que representan estas manchas de inundación, así como
las magnitudes de sus tirantes, pues son inferiores a un metro.
Esto indica que existe una mayor capacidad del cauce y por lo
tanto mayor regulación.
Los tirantes de la laguna principal (círculo rojo de mayor
tamaño) alcanzan valores máximos de 2 metros, teniendo
menor probabilidad de desbordamiento y una mayor
capacidad de almacenamiento. El tirante máximo corresponde
a un valor de 12 metros aproximadamente y es poco visible
pues se presenta al principio del cauce en un área muy
pequeña.
Ilustración 6. Simulación terminada, escenario del cauce sin
dragado.
Escenario del cauce dragado.
De la misma manera que el apartado anterior, se efectúo la
metodología para el cauce dragado en donde el primer paso es
el procesamiento del modelo digital de elevaciones (ver
Ilustración 7). En este escenario se observa que la profundidad
máxima del cauce y de las lagunas de regulación tiene una
magnitud de -13 msnm, lo que corresponde a un dragado
aproximado entre 2 y 3 metros con respecto al cauce original.
Al ampliar las secciones transversales del cauce y de las
lagunas se incrementó el área hidráulica de éstos y por
consiguiente la capacidad de tránsito.
Ilustración 8. Simulación correspondiente al día 13, escenario del
cauce dragado.
En la Ilustración 9 se muestra la simulación terminada para el
cauce dragado, después de un hidrograma de 23 días.
Asimismo se crearon manchas de inundación (círculos rojos
dentro de la ilustración) pero también otras desaparecieron y
disminuyeron.
Debido al dragado las lagunas tienen una mayor capacidad de
almacenamiento, por lo que el volumen de agua que circula
por el cauce es mayor. De esta manera, las lagunas son
capaces de almacenar más agua sin que los tirantes crezcan.
Los tirantes de las lagunas varían entre los 2 y 4 metros, con lo
cual existe un peligro menor de desbordamiento y por lo tanto
de afectaciones a las poblaciones aledañas.
Ilustración 7. MDE para el escenario del cauce dragado.
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donde se observa como las manchas de inundación decrecen
en algunas zonas.
Los círculos rojos indican las manchas de inundación que han
cambiado de un escenario a otro. Esto es consecuencia de la
capacidad de almacenamiento que presenta el cauce, el
dragado cambia el rumbo del flujo de manera que éste se
deposita en otras zonas, provocando el cambio de las áreas
inundables.
La laguna principal aumenta su capacidad de almacenamiento
al ser dragada, se observa un decremento en su tamaño en la
ilustración que muestra el cauce dragado pues el agua se
concentra principalmente en el largo del cauce así como en la
zonas de inundación creadas.
Con la condición de dragado es evidente una disminución en
las manchas de inundación, así como de los tirantes de las
lagunas de regulación, confirmando una mayor capacidad de
tránsito de la avenida.
Ilustración 9.Simulación terminada, escenario del cauce dragado.
Comparación entre ambos escenarios.
Con los resultados obtenidos de las simulaciones se analizaron
cada uno de los casos por separado, para después ser
comparados y obtener una mejor visión sobre el objetivo del
artículo.
La Ilustración 10 muestra los hidrogramas de salida de los dos
cauces: el cauce natural y el cauce dragado. Observamos que
el hidrograma de salida del cauce sin dragar (línea roja)
alcanza un gasto pico igual a 220 m3/s; al convertir este gasto
en volumen se obtienen aproximadamente 100 millones de m3.
Por otro lado, el gasto pico del cauce dragado (línea azul) es
igual a 600 m3/s, lo que representa 230 millones de m3
aproximadamente, es decir 2.3 veces más volumen que la
condición sin dragar.
Al analizar ambos hidrogramas es notorio que al efectuar un
dragado, la avenida transita mejor y el volumen de agua que
circula es mayor, permitiendo que más cantidad de agua fluya
y no se desborde en poco tiempo.
Ilustración 11. Comparación de ambos escenarios para el día 13
de la simulación.
La comparación al final de la simulación de ambos escenarios
se muestra en la Ilustración 12. Se confirmó que las lagunas
funcionan como áreas de regulación, pues al final de los 23
días del hidrograma se encuentran llenas y las áreas
inundables a las márgenes del río han disminuido en la
condición con dragado.
Asimismo, con la condición de dragado es evidente una
disminución en las manchas de inundación y de los tirantes de
las lagunas de regulación, confirmando una mayor capacidad
de tránsito de la avenida.
Ilustración 10. Hidrogramas de ambos escenarios.
La comparación para el día 13 (Día 5, Tabla 1)
correspondiente al instante posterior del gasto pico en ambos
escenarios, con y sin dragar, se aprecia en la Ilustración 11 en
Ilustración 12. Comparación de ambos escenarios para la
simulación terminada.
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Conclusiones
Para el área y las condiciones de este estudio, las lagunas de
regulación aledañas desempeñan un papel importante, de ellas
depende la cantidad de agua que circula en el cauce.
Para la condición sin dragado el gasto pico del hidrograma de
salida en el cauce principal es igual a 220 m3/s equivalente a
100 millones de m3 aproximadamente.
Para la condición con dragado el gasto pico del hidrograma de
salida en el cauce principal es igual a 600 m3/s, equivalente a
230 millones de m3 aproximadamente, es decir 2.3 veces más
volumen que la condición sin dragado.
En la comparación para el instante posterior del gasto pico en
ambos escenarios, con y sin dragar, así como al final de la
simulación, se observó una reducción significativa en las áreas
inundables producto del desbordamiento del río de algunas
zonas, así como de los tirantes de las lagunas de regulación.
Por lo tanto, con la condición de dragado se confirmó una
mayor capacidad de tránsito de la avenida y se recomienda
como una acción para el control de inundaciones.
Referencias
Blue Marble Geographic [en línea]. Blue Marble Geographic.
Mind the gap between world and map, 2014 [citado el 01 de
Agosto de 2014]. Disponible para World Wide Web:
http://www.bluemarblegeo.com/products/global-mapper.php
DOMÍNGUEZ, M., ESQUIVEL, G., BALDEMAR, M.,
MENDOZA, R., ARGANIS, J. Manual del Modelo
Pornóstico de Escurrimiento. México: Series del Instituto de
Ingeniería, UNAM. 2008.
Google Earth [en línea]. Google Earth, 2014 [citado el 01 de
Agosto de 2014]. Disponible para World Wide Web:
https://www.google.es/intl/es/earth/index.html
II-UNAM. Acciones complementarias del Plan Hídrico
Integral de Tabasco. Informe final. Capítulo 1. Estudio para
determinar la viabilidad de mejorar el drenado en la cuenca
baja
de
los
ríos
San
Pedro
y
San
Pablo,Usumacinta,Macuspana,Tulijá y Palizada. Análisis del
funcionamiento hidráulico de la zona de los Pantanos de
Centla. México: UNAM, 2012, 944 pp.
II-UNAM. Plan Hídrico de Tabasco dentro del cual se
Inscribe la ejecución del Plan de Acción Urgente (PAU) y la
Formulación del Plan de Acción Inmediata (PAI), para la
Rehabilitación de la Infraestructura Dañada por las Lluvias
Atípicas de los Días 28 y 29 de Octubre del 2007. Capítulo 1.
Introducción. México: UNAM, 2008, 837 pp.
II-UNAM. Segunda Fase para la integración Plan Hídrico
Integral de Tabasco. Capítulo 4. Análisis Hidrológico.
México: UNAM, 2009, 1302 pp.
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