1. Educación

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
MODELACIÓN DE LOS ESCURRIMIENTOS EN EL RÍO VERDE, OAXACA, MÉXICO
González Verdugo José Alfredo, Espinoza Ayala Joselina, Gómez Martínez Juan Fco.
y Contreras González Vladimir
Instituto mexicano de Tecnología del Agua. Paseo Cuauhnáhuac No. 8532, Col. Progreso, Jiutepec, Morelos,
México. C.P. 62550
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Introducción
El estudio de los escurrimientos en la parte baja del Río
Verde, Oaxaca, entre la presa derivadora Ricardo Flores
Magón (RFM) y la desembocadura al Océano Pacífico se
realizó como parte de un análisis integral de la interacción del
río con sus zonas aledañas como es el Parque Nacional
Lagunas de Chacahua, (González V, JA, et al, 2008-2009). En
el análisis se utilizó un modelo lluvia- escurrimiento
implementado en HEC-HMS, cuyos resultados se contrastan
con un modelo hidrodinámico en 2D cuya particularidad es
que considera la lluvia en las simulaciones. Los resultados
corresponden al año 2011, si bien la metodología presentada
puede replicarse para otro año o para otra cuenca donde exista
información de lluvia y volúmenes aforados o estimados por
el cauce analizado.
Metodología
EL Río Verde se encuentra ubicado en la denominada costa
chica del estado de Oaxaca, dentro de la Región Hidrológica
No. 20 (RH20) “Costa Chica Río Verde, este río es el más
importante de la Región Hidrológica No. 20 desde el punto de
vista hidrográfico. Se desarrolla en las coordenadas
geográficas 15º 58’ y los 17º 37’ de latitud norte y de 96º 14’ a
98º 06’ de longitud oeste. La zona de estudio se localiza en los
últimos 25 km del río Verde antes de su desembocadura en el
océano pacífico, ver ilustración 1.
Debido a que en la zona de estudio no se cuenta con una
estación hidrométrica, para calcular los escurrimientos fue
necesario la aplicación de un modelo lluvia-escurrimiento, el
cual se implementó en el software HEC-HMS y contempla las
subcuencas localizadas aguas abajo de la presa RFM, que son
las subcuencas Laguna del Espejo, con un área de 9.488 km2,
y sección baja del río Verde con un área de 118.545 km2. La
ilustración 4 muestra la pantalla principal con el modelo
construido.
Dentro de las subcuencas no existen estaciones climatológicas,
por lo que para realizar la modelación del proceso lluviaescurrimiento fue necesario instalar cuatro pluviómetros
digitales, los cuales registran la precipitación para diferentes
duraciones, permitiendo así conocer tanto la distribución
espacial de la lluvia como su distribución temporal (factor
muy importante que impacta directamente en la magnitud de
las avenidas).
Para poder calcular los escurrimientos hasta la desembocadura
es necesario determinar los escurrimientos que salen de la
Presa derivadora RFM. Para esto se instaló un sensor de nivel
aguas arriba de la presa, obteniendo así los niveles del agua en
la presa en diferentes tiempos y aplicando la formula de un
vertedor de descarga libre fue posible calcular los
escurrimientos.
Ilustración 2. Zona de estudio, estaciones climatológicas e
hidrométricas instaladas previo al estudio.
Ilustración 1. Zona de estudio, localización de pluviómetros y
sensores de nivel instalados en la parte baja del río Verde,
Oaxaca.
Para el caso del modelo hidrodinámico FLO 2D se utilizó la
información de precipitación del los pluviómetros instalados,
así como los gastos obtenidos con el modelo lluviaescurrimiento. Se analizaron distintos tamaños de malla de
AMH
XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
DE
H I D R Á U LI C A
AMH
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
cálculo, desde 100m X 100m hasta 20m X 20m, poniendo
mucha atención en el proceso de interpolación ya que las
secciones que definen el cauce del río están muy espaciadas.
De acuerdo con la información de precipitación, se seleccionó
el periodo del 9 al 22 de julio para el proceso de modelación
de las condiciones presentadas durante 2011, generando
campos de lluvia acumulada cada 24 h. La ilustración 3
muestra la delimitación de la zona simulada con FLO 2D y el
campo de lluvia para el 16 de julio de 2011.
Ilustración 4. Modelo lluvia–escurrimiento para la cuenca baja
del río Verde, Oaxaca.
Tabla 1. Gastos máximos por subcuenca para el año 2011
Subcuenca
Mes
Ilustración 3. Delimitación del área simulada en FLO 2D y campo
de lluvia para el día 16 de julio de 2011.
Resultados
Análisis hidrológico
A partir de los registros de lluvia en cada pluviómetro, la
variación de niveles en la presa RFM y las características
geomorfológicas de las subcuencas de la zona de estudio, se
obtuvo el patrón de los escurrimientos presentados en 2011,
(González V, JA, et al, 2011).
En la tabla 1 se presentan los gastos máximos obtenidos en el
año 2011 en cada subcuenca a partir del modelo lluvia –
escurrimiento en HEC-HMS. Los escurrimientos máximos a
partir de la presa RFM hacia la desembocadura por cuenca
propia, (subcuencas Sección Bajo Río Verde DG y Laguna del
Espejo) resultan ser de 195.1 m3/s y 135 m3/s para cada
subcuenca, sin embargo dichos gastos se presentan en
diferente mes.
La tabla 2 muestra los gastos máximos mensuales en los
puntos de salida de la presa RFM y en la desembocadura del
río Verde, así como los gastos por cuenca propia (suma de
gastos de las subcuencas Sección Baja del Río Verde y Lagua
El Espejo).
Sección
Bajo
Laguna
Laguna
Laguna
Laguna
Río
El
ChacaguaMonrova Miniyuva
Verde Espejo
Pastoría
DG
Junio
186.5
135.1
315.0
258.3
593.8
Julio
114.9
38.8
102.2
68.0
370.4
Agosto
64.5
59.2
97.9
77.5
846.0
Septiembre
83.6
73.4
142.5
101.8
949.1
Octubre
195.1
122.4
290.3
202.0
1 246.1
Máximo
195.1
135.1
315.0
258.3
1,246.1
Tabla 2. Comparación gastos máximos en la zona de estudio.
Mes
Cuenca
Propia
(CP)
Salida
de la
presa
RFM
Descarga
al
mar
sin
considerar CP
Descarga al
mar
considerando
CP
Junio
186.4
943.4
938.2
1,015.7
Julio
153.4
1,228.7
1,224.3
1,224.3
64.5
918.8
939.8
944.4
1,048.5
Agosto
Septiembre
84.4
1,045.7
1,044.1
Octubre
195.1
607.4
605.9
709.5
Máximo
195.1
1,228.7
1,224.3
1,224.3
De acuerdo con la información de las tablas anteriores, se
tiene:
 El valor del gasto máximo por cuenca propia en la tabla
2 en cada uno de los meses no corresponde a la suma de
los gastos máximos de las subcuencas que la conforman
tabla 1 (sección baja del río Verde y Laguna el Espejo)
debido a que las tormentas en ambas subcuencas se
presentan en diferente hora, además de que sus tiempos
de concentración son distintos.
 El gasto máximo estimado a la salida de la presa
Ricardo Flores Magón, el cual se calculó a partir de los
AMH
XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
AMH
registros de nivel del agua en la presa, es de 1,228.7
m3/s, el cual de acuerdo con el análisis realizado de
gastos máximos por Gómez Martínez J.F.,(2008-2009),
corresponde a un periodo de retorno menor a 2 años.
 La aportación por cuenca propia resultó más importante
en la desembocadura respecto al gasto máximo en los
meses octubre (17,1%) y junio (8,3%). En el caso de que
los gastos máximos en cada uno de los meses por CP y
los provenientes de la presa RFM coincidan en el tiempo
en la desembocadura, el gasto máximo en la
desembocadura en los meses de octubre y junio se
incrementarían a un 32,2 y 19,9% respectivamente
 Los gastos obtenidos en la desembocadura no
corresponden a la suma entre los registrados a la salida
de presa RFM y los obtenidos por cuenca propia debido
a que los tiempos de llegada de los gastos máximos no
coinciden, y al efecto del tránsito del gasto por el cauce.
Ilustración 6. Hidrograma simulado en FLO 2D.
Análisis hidráulico
Respecto a los resultados del modelo FLO 2D, para analizar
los escurrimientos se trazaron 13 secciones con el objeto de
monitorear el comportamiento e interacción del flujo con
zonas aledañas durante la simulación, ver ilustración 5. La
malla de cálculo para la aplicación del modelo fue de 20m X
20m, resolviendo un dominio de 156,000 nodos para la
condición de flujo bidimensional.
Las simulaciones se realizaron para dos condiciones:
considerando y no la lluvia por cuenca propia. Por ejemplo,
para el caso considerando la lluvia, su efecto se empieza notar
para el tiempo de 26 h de simulación donde se registra lluvia
acumulada en toda la malla de cálculo, tiempo para el cual el
río ya alcanzó la desembocadura, ilustración 7.
Ilustración 7. Avance de flujo para t = 26 h, condición con lluvia.
Ilustración 5. Malla de cálculo para simular condiciones de
escurrimiento 2011 en FLO 2D.
El hidrograma utilizado en la simulación se muestra en la
ilustración 6, el cual se estimó a partir de los datos de nivel del
agua sobre la presa derivadora (gasto máximo alrededor de
1,200 m3/s), abarcando un tiempo de 314 horas (un poco más
de 13 días) y correspondiente al periodo de lluvia del 9 al 22
de julio.
La lluvia tiene varios efectos sobre el patrón de los
escurrimientos: provoca un efecto de “frenado’’, es decir se
tiene profundidades mayores en el río respecto a cuando se
simula sin lluvia. Al aumentar las profundidades el campo de
velocidades se modifica, siendo el patrón más “uniforme”
respecto a la condición sin lluvia.
Al comparar los gastos máximos en las secciones de planicie,
tabla 3, resultan en general mayores los gastos en el caso para
la condición “sin lluvia’’, salvo en la sección 9, sin embargo
los tiempos pico para los que se presentan estos gastos, son
menores en la mayoría de los casos para la condición “con
lluvia’’.
XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
AMH
El paso de la avenida por la sección de planicie trazada aguas
abajo del meandro (sección 9) se presenta en ilustración 8 para
las dos condiciones de flujo.
Tabla 3. Gastos máximos y tiempos pico en las secciones de
planicie para la el periodo del 9 al 22 de julio de 2011.
Sin lluvia
Sección
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
Descarga
máxima
(m3/s)
0
0.07
16.9
331.94
445.14
20.8
0
0
1,426.64
942.62
128.55
28.53
170.73
Con lluvia
Tiempo
pico (h)
0
224.58
230.97
185.76
229.12
230.58
0
0
219.16
223.22
55.13
224.57
208.67
Descarga
máxima
(m3/s)
0.35
0.80
14.88
292.12
386.11
18.13
0,10
0,11
1,454.37
904.31
110.14
24.48
147.36
Tiempo
pico (h)
118.41
117.66
193.05
219.69
188.51
224.20
109
108.13
214.27
227.5
264.36
169.85
191.67
AMH
Conclusiones
Con la instalación de los 4 pluviómetros digitales en la parte
baja del río Verde fue posible analizar el comportamiento de
la lluvia y los escurrimientos generados. El mes de junio
resultó ser el más lluvioso, donde en los cuatro sitios se
registró una precipitación acumulada por arriba de los 200
mm, siendo en el sitio El Zarzal el lugar de mayor
precipitación acumulada durante este mes y durante todo el
periodo. La distribución de la lluvia presenta cierto grado de
uniformidad espacio-temporal para algunos meses.
En el mes de julio durante los días 10 al 17 se midió la mayor
precipitación (sitio Piedra Ancha), siendo cercana a los 70
mm. Agosto representó el segundo mes de mayor
precipitación acumulada, por arriba de los 250 mm (Pastoría).
De acuerdo con estos datos, en la Subcuenca Sección Baja del
Río Verde DG la precipitación mensual registrada es menor a
la precipitación media mensual histórica. En las subcuencas
Laguna el Espejo, Laguna Monrova y Laguna Miniyuva la
precipitación registrada en el mes de junio de 2011 es
prácticamente la media mensual. Mientras que para los meses
de julio a septiembre la precipitación registrada es menor a la
media histórica. De acuerdo con estos datos, se ha considerado
que el año 2011 se pueda clasificar como un “año seco’’.
A partir de los resultados del modelo lluvia-escurrimiento
aplicado, el porcentaje de aportación de la cuenca propia
respecto al gasto máximo registrado a la salida de la presa
RFM y en la desembocadura, es del mismo orden.
Los meses en donde la aportación de la cuenca propia resultó
más importante en lo que respecta al gasto máximo en la
desembocadura son octubre y junio con porcentajes de 17,1 y
8,3% respectivamente. Sin embargo, en el caso de que los
gastos máximos en cada uno de los meses de la CP y los
provenientes de la presa RFM coincidan en el tiempo en la
desembocadura, el gasto máximo en la desembocadura en los
meses de octubre y junio se incrementarían a un 32,2 y 19,9%
respectivamente.
Ilustración 8. Comparación del flujo en la sección 9, con lluvia y
sin lluvia.
No se observa gran diferencia entre los gastos y es indistinto
cuándo es mayor en cada caso, es decir no hay “coincidencia’’
en los tiempos de la presencia de los escurrimientos y la
precipitación, por lo que no hay una “suma’’ de efectos,
situación similar encontrada con la aplicación del modelo en
HEC-HMS.
Finalmente, respecto a la interacción del río con las zonas
aledañas, específicamente con el parque nacional Lagunas de
Chacahua localizado en margen izquierda, se tuvo poca
interacción o aportación del río hacia el parque, en la que para
un tiempo simulado cercano a las 170 h el gasto aportado por
el río oscila en los 20 m3/s y un área inundable cercana a las
100 hectáreas (González V, JA et al,2011). Este resultado
coincide con lo sucedido en el año 2011 en la cuenca del río
Verde, donde prácticamente resulto ser un año “seco” sin gran
interacción del río en la parte baja, con las zonas y cuerpos
aledaños.
Los resultados de la modelación para el año 2011 mostraron
muy poca interacción del río con los cuerpos aledaños, tal
como aconteció en la realidad durante 2011 y que valida de
alguna manera los resultados de FLO2D. No hubo interacción
del río con la laguna del Espejo, no existe una comunicación
directa del río con la laguna Miniyuva, topográficamente es
imposible. Existe intercambio por margen derecha solo hacia
el final del recorrido del río, hacia la zona de manglar.
La lluvia ocurrida en 2011 en la parte baja de la cuenca del río
Verde no representó un incremento sustantivo en los
volúmenes escurridos. Sin embargo, su presencia en la
hidrodinámica del río puede modificar de manera local el
patrón de los escurrimientos.
Con el efecto de la lluvia, se acortan los tiempos pico de los
gastos máximos presentados en las secciones de planicie
trazadas. Por este motivo, no hay una “acumulación’’ de
efectos, es decir los escurrimientos no se “suman’’ con la
presencia de la lluvia, resultado que coincide con el análisis
hidrológico realizado con HEC-HMS.
Referencias
Gómez Martínez J. F. (2008-2009). Estudios hidrológicos,
hidrogeoquímicos, fluviales, hidrodinámica lagunar-costera
AMH
XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
manejo de cuenca y distrito de riego, caudal ecológico, calidad
del agua superficial y contaminación difusa de las lagunas de
Chacahua del sistema ambiental regional del proyecto
aprovechamiento hidráulico de usos múltiples paso de la
Reina, Oaxaca, Componente de Hidrología. Instituto
Mexicano de Tecnología del Agua.
González V, J. A., Espinoza A. J. (2008-2009).
Caracterización y análisis del subsistema abiótico del proyecto
“Aprovechamiento Hidráulico de Usos Múltiples Paso de la
Reina- Componente Hidráulica Fluvial”. Informe final. IMTA.
González V. J. A., Espinoza A. J., Gómez M, J F., Contreras
G, V. (2011). Modelación de los escurrimientos del río Verde,
hacia el parque de Chacahua y a la zona de las lagunas de
Chacahua-Pastoría. Informe final. IMTA.
AMH