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
TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN SUSPENSIÓN EN LA CUENCA
DEL RÍO PAPALOAPAN
Espinoza Ayala Joselina y González Verdugo José Alfredo
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Paseo Cuauhnáhuac No. 8532, Col. Progreso, Jiutepec, Morelos,
México. C.P. 62550
[email protected], [email protected]
Introducción
El Río Papaloapan nace de la unión del río Tehuacán, que
baja de las sierras de Puebla y del río Quiotepec, que baja
de la Sierra de Ixtlán; pasa por la Sierra Madre Oriental y
recibe varios afluentes. Desemboca en el Golfo de México
a la altura del puerto de Alvarado.
La cuenca del río Papaloapan pertenece a la Región
Hidrológica No. 28-B. Se encuentra ubicada en la vertiente
del Golfo de México, aproximadamente en la parte media
del arco que forma el litoral mexicano. El área de la cuenca
hidrológica se calcula en 46,517 km2. Sin embargo,
considerando la superficie de los municipio dentro de la
cuenca con una porción igual o mayor al 60% de su
territorio, el área total de influencia del Consejo de Cuenca
del río Papaloapan, se amplía a 49,335 km2 el cual
representa el 2.5% del área total de la república mexicana y
comprende territorialmente parte de las entidades
federativas de Puebla, Oaxaca y Veracruz. En la Cuenca se
ubican 244 municipios y en ella radica una población del
orden de 3.3 millones de habitantes.
El río Papaloapan forma la segunda cuenca hidrográfica en
cuanto a su caudal en la república mexicana. Su longitud es
de 354 km. Y cubre tres estados de la república: Puebla,
Oaxaca y Veracruz, con una extensión de 51,025.52 km2.
El sistema hidrográfico del Papaloapan es el segundo en
importancia del país por su caudal, después del sistema
Grijalva-Usumacinta. Vierte sus aguas a la Laguna de
Alvarado con un promedio de 47,000 millones de m3
anuales, con fluctuaciones entre 25,000 y 67,000 millones
de m3. El valor promedio equivale al 12% del volumen
escurrido anualmente a nivel nacional.
Los principales afluentes son los ríos: Blanco, Tonto
(controlado por la presa Presidente Miguel Alemán o
Temascal, Santo Domingo (controlado por la presa Miguel
de la Madrid o Cerro de Oro), Usila, Valle Nacional,
Obispo, Tesechoacán y San Juan. Desemboca en el Golfo
de México por la Laguna de Alvarado y las poblaciones
más grandes por las que discurre son entre otras: Alvarado,
Tlacotalpan, Chacaltianguis, Cosamaloapan.
La Principales Obras de Control y Protección contra
inundaciones son las presas Presidente Alemán y Miguel
de la Madrid; La presa Presidente Alemán (Temascal),
sobre el Río Tonto con capacidad de 9,000 millones de m3;
esta presa es de usos múltiples (control de avenidas,
generación de energía eléctrica, etc.). La presa Presidente
Miguel de la Madrid (Cerro de Oro), sobre el Río Santo
Domingo con capacidad de 3,547 millones de m3, para
usos múltiples. El sistema de presas redujo sensiblemente
el área afectada y el impacto de las inundaciones, no
obstante, apenas permiten el control del 42% del área total
de la cuenca. El 58% restante, corresponde a los ríos no
controlados: Valle Nacional, Obispo, Blanco, San Juan,
Tesechoacán y llanuras del Papaloapan, principalmente, I.I.
UNAM (2013).
Cortes de Rectificación y Bordos de Protección. Se
hicieron varios cortes de rectificaron del Río Papaloapan,
lográndose acortar el recorrido del río por la planicie
costera en más de 50 kilómetros, asimismo, se
construyeron bordos de protección en ambas márgenes del
río.
En esta región del país la incidencia de ciclones es muy
importante, por lo que la cuenca del río Papaloapan es muy
susceptible a la presencia de eventos metereológicos
extremos, estos sistemas ocasionan lluvias importantes de
280 mm en algunos puntos. En la región Golfo Centro
ocurren en promedio 45 ondas tropicales y 49 frentes fríos
provocando fuertes lluvias. En la cuenca del Papaloapan
ocurre en promedio un evento de lluvia significativa al año.
La precipitación media anual en el Papaloapan es de 1878
mm/año. Los ciclones tropicales, suelen generar grandes
cantidades de lluvia que al escurrir sobre suelos saturados,
producen inundaciones en la parte baja de la cuenca.
Durante los meses de agosto a octubre de 2010 se
presentaron fuertes inundaciones fluviales en la cuenca
baja del río Papaloapan generadas por la presencia de
lluvias severas y por las descargas de las presas Temascal y
Cerro de Oro. La presencia del huracán Karl y de la
tormenta tropical Mattew favorecieron las fuertes
precipitaciones que causaron los desbordamientos del río
Papaloapan, afectando, entre otras localidades, a Otatitán,
Tlacojalpan,
Paraíso,
Novillero,
Nopaltepec,
Chacaltianguis; a partir de la confluencia del río Obispo, a
las comunidades de Cosamaloapan, Carlos A. Carrillo,
Amatitlán, San José Papaloapan; a la altura de la
incorporación del río Tesechoacán a Acula, por último
debido a la unión con el río San Juan a la localidad de
Tlacotalpan, diversas fuentes periodísticas estimaron un
total de 48 municipios en donde tuvieron inundaciones o
afectaciones en su economía por los eventos
hidrometeorológicos de 2010, lo cual se traduce en cerca
de 300 mil personas afectadas. Las condiciones hidráulicas
del río Papaloapan y sus afluentes se han visto modificadas
por las presas, bordos, encauzamientos construidos en la
cuenca y la reducción de su área hidráulica por los azolves,
ver Espinosa, et. al., (1993).
Para atender esta problemática en la cuenca del río
Papaloapan, el Consejo de Desarrollo del Papaloapan,
CODEPAP propuso al IMTA, realizar un Estudio de
Factibilidad para el Plan Preventivo de Contingencias
Hidrológicas en la Cuenca del Papaloapan, en varias
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localidades y municipios del Estado de Veracruz, como
parte del éste se propuso realizar un estudio acerca de los
procesos de transporte de sedimentos en el río.
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el río Tonto al Papaloapan (0+000) hasta Alvarado
(143+610).
Metodología y Mediciones de Campo
Se consideraron estudios previos, información de las
estaciones hidrométricas, imágenes de satélite. Se llevaron
a cabo campañas de medición en campo con el equipo
ADCP Acustic Doppler Current Profiles que permite hacer
mediciones de: velocidades, batimetrías, gastos, en un bote
móvil. Las mediciones de la elevación de la superficie del
agua se hicieron con sensores de nivel y las mediciones de
concentración de sedimentos con botella Van Dorn. Se
realizó una caracterización de los sedimentos a lo largo del
río, por medio de análisis granulométrico.
Resultados
Granulometría
El análisis de la granulometría se hizo a partir de las
muestras de sedimento en 37 secciones del río, tomando
muestras en la margen izquierda, centro y margen derecha,
y en puntos especiales de interés, con lo que se tuvieron
alrededor de 150 muestras. En el presente estudio el
cadenamiento de las estaciones parte del kilómetro 0+000
en la unión del Río Tonto con el Papaloapan, llegando al
143+610 km en la desembocadura en Alvarado. En
Ilustración 1, se presenta el río Papaloapan desde la Presa
Miguel de la Madrid hasta la desembocadura, en éste se
muestra el perfil longitudinal obtenido al seguir el trazo del
río por las estaciones de medición. La mayor elevación de
aproximadamente 47 msnm se presenta al inicio del tramo,
en la ilustración 1 se muestra a la derecha; y la elevación
más baja corresponde a la elevación 0 m en la
desembocadura, a la izquierda.
Ilustración 1. Estaciones de muestreo en el Río Papaloapan. En
la parte inferior se muestra el perfil del fondo, de derecha a
izquierda.
Se elaboraron curvas de diámetros característicos a lo largo
del río con base en la información obtenida de las
granulometrías en cada estación de muestreo. En la
siguiente ilustración se muestra la variación del D50 a
través de la longitud del cauce, desde el sitio donde se une
Ilustración 2. Distribución del diámetro característico D50 en el
cauce principal.
Una tendencia general observada fue que a medida que el río
se acerca a la desembocadura al mar, los tamaños de los
sedimentos disminuyen desde gravas medias de 9 mm hasta el
tamaño correspondiente a una arena limosa de 2 mm en
promedio. Los picos que se observaron en todas las gráficas
corresponden a puntos en los que hay acumulación de gravas
ya sea porque se ubican en la zona de los meandros o porque
pequeños afluentes del Río Papaloapan introducen este tipo de
sedimentos al cauce.
Se puede observar un patrón claro en las gráficas de la
granulometría a lo largo del río, observándose dos
comportamientos predominantes, los picos que se observan
entre el kilómetro 0+000 y el km 32+000 aproximadamente
cerca de Tlacojalpan, dónde en la parte central del río se tiene
un material más grueso gravas. Del Km 32 +000 al 140 +000
se observan arenas gruesas en la parte central del cauce y
media a fina en la margen izquierda, en la margen derecha se
presenta arena muy fina, limos y arcillas. Se puede observar
que los picos de la granulometría corresponden a los aportes
de los afluentes así por ejemplo, aproximadamente en el
kilómetro 60 + 000 se encuentra la confluencia con el río
Obispo. En el km 93 +100 en la confluencia con el
Tesechoacán, en la parte central del río se observan gravas, en
el 113 +300 en la confluencia con la Boca Martinela, y en el
115 +000 en la confluencia con el río San Juan.
De acuerdo a la granulometría obtenida, al inicio del tramo de
río en estudio, en la zona más alta es en donde se observaron
sedimentos de mayor tamaño y la zona baja el sedimento más
fino, en este caso arena media a arena fina, limos y arcillas.
En todas las secciones se observó de manera consistente que el
sedimento más grueso se localiza en el centro del cauce y en la
margen izquierda y el material más fino en la margen derecha
del cauce.
El análisis del coeficiente de uniformidad Cu, se pueden
distinguir dos comportamientos Cu > 3 en los primeros 40
km. A partir del kilómetro 40 el Cu < 3 y se considera que el
material es uniforme, siendo este arenas finas, arenas muy
finas, limos y arcillas. La distribución del diámetro medio Dm
a lo largo del cauce, se observa que coincide bastante con la
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distribución del D50, por lo que se puede decir que la
distribución de la granulometría es simétrica. La
granulometría que se analizó corresponde a muestreos
realizados en el año 2000. Esta granulometría se tendrá como
base para comparar la evolución del cauce a través del tiempo.
Se efectuarán muestreos en algunos sitios específicos, para
conocer los cambios de las características del material del
fondo del cauce con el tiempo.
Transporte de sedimento en suspensión en el Río
Papaloapan
El grado de dificultad hizo necesario atacar el problema
haciendo una exhaustiva recolección y análisis de datos
básicos para lograr un mejor conocimiento del funcionamiento
hidrosedimentológico del río.
Ilustración 5. Gastos Q (m3/s) vs C (ppm) para los meses de enero
a junio.
En la estación Papaloapan situada en la parte alta de la cuenca
se hizo un análisis de los escurrimientos y azolves medios
mensuales en el periodo de 1985-1993. En estas gráficas se
observa en los primeros meses del año una tendencia
ascendente de la concentración contra el gasto. En los meses
de julio a diciembre la concentración para el mismo gasto es
menor, la concentración está más diluida. Las gráficas
muestran un comportamiento de histéresis en la relación de
Gasto vs. Transporte de sedimento en suspensión, semejante a
la presentada por Schmidt (2007) para el río Colorado cerca
del Gran Cañón y en el río Green en Jensen (Grams &
Schmidth 2002)
Ilustración 6. Gastos Q (m3/s) vs. C (ppm) para los meses de julio
a diciembre.
El análisis de sedimento se hizo a partir de los datos
registrados en cinco estaciones hidrométricas, la información
fue proporcionada por el organismo de Cuenca, Golfo Centro.
Sólo se presentan cinco estaciones hidrométricas por ser éstas
en donde se cuenta con registros de información continuos
durante varios años. En la tabla 1, se presentan la estación
hidrométrica, el río donde se encuentra, la localización y el
gasto medio anual.
Ilustración 3. Escurrimientos medios mensuales en
millones de m3.
Tabla 1.- Estaciones Hidrométricas en la Cuenca del
Papaloapan.
Estación
Río
Clave
Q medio anual
3
[m /s]
Ilustración 4. Volumen medio mensual de azolve registrado en
millones de m3.
Papaloapan
Papaloapan
28014
624.031
Garro
Tesechoacán
28136
174.707
San
Juan
Evangelista
San Juan
28001
202.004
Cuatotolapan
San Juan
28015
218.84
Azueta
Tesechoacán
28013
191.564
Fuente: Atlas Digital del Agua en México 2012, Sistema
Nacional de Información del Agua, CONAGUA.
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En las ilustraciones 7 a 21 se presenta en forma gráfica las
tendencias de los escurrimientos anuales, los azolves de
sedimentos anuales y la relación entre los escurrimientos en
(m3/s) y la concentración de sedimentos en (ppm).
En la estación Papaloapan, ver ilustraciones 7, 8 y 9, se
muestra una tendencia decreciente de los escurrimientos, en
los volúmenes de azolve se hay una tendencia creciente en los
años 1985-1993, después hace falta información y no se
puede establecer una tendencia. En cuanto a la relación
Gastos-Concentración de sedimentos, el gasto medio anual es
del orden de 600 m3/s y de acuerdo con la gráfica le
corresponde una concentración de 450 (ppm).
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10,11 y 12. Los volúmenes de escurrimiento muestran una
tendencia ligeramente ascendente. Sin embargo los volúmenes
de azolves presentan una tendencia fuertemente ascendente,
con la escasa información que se tiene. La descarga media
anual es de 174.7 m3/s y le corresponde una concentración de
558 (ppm).
Ilustración 10. Escurrimiento anual en la estación Hidrométrica
Garro.
Ilustración 7. Volumen de escurrimiento anual en la estación
Papaloapan.
Ilustración 11. Volumen de azolves anuales en la estación
Hidrométrica Garro
Ilustración 8. Volumen de azolves anual de sedimentos medidos en
la estación Hidrométrica Papaloapan.
llustración 12. Relaciones entre Descarga (m3/s) vs. concentración
de sedimentos (ppm).
Ilustración 9. Relaciones entre Descarga (m3/s) vs. concentración
de sedimentos (ppm).
En la Estación Garro, en el río Tesechoacán ilustraciones
En la estación Cuatotolapan, Río San Juan, los escurrimientos
siguen una tendencia ascendente, sin embargo los azolves
muestran una tendencia descendente con picos en los años
1987,1993 y 1998. El gasto medio anual de 218.84 (m3/s) le
corresponde una concentración de aproximadamente 500
(ppm).
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Ilustración 13. Escurrimiento anual en la estación Hidrométrica
Cuatotolapan.
Ilustración 16. Escurrimiento anual en la estación Hidrométrica
Azueta, Río Tesechoacán.
Ilustración 14. Volumen de azolves anuales en la estación
Hidrométrica Garro.
Ilustración 17. Volumen de azolves anual en la estación
Hidrométrica Azueta.
Ilustración 15. Relaciones entre Descarga (m3/s) vs. concentración
de sedimentos (ppm).
Ilustración 18. Relaciones entre Descarga (m3/s) vs.
concentración de sedimentos (ppm).
En el río Tesechoacán, estación Azueta, los escurrimientos
muestran una tendencia descendente, los azolves muestran una
tendencia fuertemente descendente con picos en los años
1976, 1978, 1981 y 1993. El gasto medio anual es de 191.56
m3/s y para este gasto se tiene una concentración de 448.6
(ppm).
En la estación hidrométrica San Juan Evangelista, los
escurrimientos tienen una tendencia ligeramente ascendente.
Los volúmenes de sedimento muestran una tendencia
descendente. El gasto medio anual es del orden de 202 m3/s y
a este gasto le corresponde una concentración de 797.5 (ppm).
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mismo gasto es menor, la concentración está más diluida.
Las gráficas muestran un comportamiento de histéresis en la
relación de Gasto vs. Transporte de sedimento en suspensión,
semejante a la presentada por Topping et al., 2000 para el río
Colorado cerca del Gran Cañón y en el río Green en Jansen
(Grams & Schmidt 2002).
En la relación de Gasto vs. Transporte en suspensión se
observó que las concentraciones en los ríos son del orden de
las 500 (ppm), sólo en la estación Azueta se incrementan a
700 (ppm).
Ilustración 19. Escurrimiento anual en la estación Hidrométrica
Azueta.
Se mostró una tendencia general a un decremento en el
transporte de sedimentos en suspensión en los ríos analizados.
La disminución de los sedimentos se presenta como
consecuencia de la construcción de las presas. Sólo en la
Estación Garro, río Tesechoacán se muestra un ligero
incremento en el sedimento transportado. Los estudios
realizados servirán para comprender mejor acerca del
funcionamiento hidro-sedimentológico del río.
Referencias
Chih Ted Yang (1996). Sediment Transport Theory and
Practice, The Mc Graw- Hill Companies, Inc.
CONAGUA (2012). Atlas Digital del Agua en México 2012,
Sistema Nacional de Información del Agua.
CONAGUA (2013). Organismo de Cuenca Golfo Centro,
Datos de Escurrimientos y Azolves en Estaciones
Hidrométricas.
Ilustración 20. Volumen de azolve en la estación Hidrométrica
Azueta.
Consultores y Proyectos del Sur S.A. de C.V. (2000).
Granulometrías de muestras tomadas a lo largo de 150 km
Aproximadamente del Tramo Tuxtepec, Oax.-Alvarado, Ver.
Sobre el Río Papaloapan.
Espinosa, N.L., Dolores, M., Aparicio, M. J. (1993). Control
de Inundaciones en el Río Papaloapan, CA9209 IMTA.
González, V. J. A., Espinoza, A.J., et al (2013). Estudio de
Factibilidad para el Plan Preventivo de Contingencias
Hidrológicas en la Cuenca del Papaloapan, en varias
localidades y municipios del Estado de Veracruz. IMTA.
Grams, P.E. and J.C. Schmidt (2002). “Streamflow
regulation and multi-level flood plain formation: channel
narrowing on the aggrading Green Riven in the eastern Uinta
Mountains, Colorado and Utah” Geomorphology 44: pp. 337360.
Ilustración 21. Descarga (m3/s) vs. concentración de sedimentos
(ppm).
Conclusiones
El funcionamiento hidro-sedimentológico del río es complejo
por ser un río de arenas muy finas y arcillas. La información
disponible de mediciones de transporte de sedimentos en
suspensión es escasa.
En la estimación del transporte de sedimentos en suspensión
es importante considerar la historia de los escurrimientos, en
este caso se observó un efecto estacional en la relación entre
los gastos y las concentraciones de sedimentos medidos en la
estación Papaloapan. En los primeros meses del año se tiene
una tendencia ascendente de la concentración contra el gasto.
En los meses de julio a diciembre la concentración para el
I.I. UNAM (2013). Actualización del Estudio y de las
Propuestas de Solución para el Control de Inundaciones en la
Cuenca Baja del Río Papaloapan, en el Estado de Veracruz.
Julien, P.Y. (1995). Erosion and Sedimentation, Cambridge
University Press.
Schmidt, J.C. (2007). “The Colorado River”, in Large Rivers:
Geomorphology and Management, Edited by A. Gupta, John
Wiley & Sons, Ltd.
Topping,D.J., D.M. Ruin and L.E. Vierra, Jr (2000).
Colorado River Sediment Transport I. Natural sediment
supply limitation and the influence of Glen Canyon
Dam.Water Resources Research 36 (2): pp 515-542.