criterios para una metodología de análisis de decisiones de la

CRITERIOS PARA UNA METODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE DECISIONES DE LA
SECUENCIA DE OBRAS HIDRÁULICAS ESCALONADAS
JUAN EUSEBIO GONZÁLEZ FARIÑAS
Escuela Técnica Superior de Ingeniería Civil e Industrial/ ULL
RESUMEN
El carácter “de continuidad espacial lineal” de los barrancos impone que las actuaciones que se realizan produzcan
obras escalonadas a lo largo del cauce. La prioridad de ejecución de las obras (pasos, puentes, canalizaciones,
etcétera), en la práctica, suele depender de decisiones administrativas y políticas que responden a, o son inducidas
por, necesidades puntuales del fomento y de la protección de zonas específicas de las cuencas. Ello conlleva, en
ocasiones, a que se ejecute una actuación que, teniendo como consecuencia un aumento de la conductividad local
del cauce (o que reduzca la capacidad de almacenamiento temporal), no genere las intervenciones necesarias en
zonas de aguas abajo para proteger su seguridad frente a avenidas y al incremento de los arrastres y consecuente
acumulación de sólidos. En otras, a provocar remansos que conllevan inundaciones en el territorio ubicado aguas
arriba. En resumen, actuaciones que, no asumiendo la financiación de las medidas correctoras, producen o elevan los
riesgos de daños por su ejecución secuencial independiente de su impacto temporal sobre zonas del territorio
“hidráulicamente” vinculadas a las mismas.
En el presente trabajo se exponen algunos criterios y las herramientas informáticas de apoyo para el establecimiento
de una metodología de análisis del problema planteado. Se ejemplifica con casos de estudio.
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1. Introducción.
El carácter “de continuidad espacial lineal” de los barrancos impone que las actuaciones que se
realizan produzcan obras escalonadas a lo largo del cauce. En consecuencia, el planeamiento y la
ejecución material de las actuaciones y, también, la gestión de las infraestructuras, deben incluir
el análisis de los efectos que unas obras puedan producir sobre otras y sobre los tramos de
cauces, aguas arriba y aguas abajo.
Esta ponencia es la síntesis metodológica de una etapa de modesta, y hasta ahora casi anónima,
aproximación de nuestra Escuela Técnica Superior de Ingeniería Civil e Industrial (ETSICI) de
la Universidad de La Laguna al estudio independiente de aspectos de la problemática que debe
abordar el Plan de Defensa Frente a Avenidas (PDA) auspiciado por el Consejo Insular de Aguas
de Tenerife. Se enfocó, en un principio, a revelar la presencia de “puntos de riesgo potencial” o
“puntos negros” generados por las actuaciones en los tramos de barrancos que atraviesan zonas
urbanas. Como puntos de partida se consideraron, inicialmente, las alcantarillas, los puentes y los
tramos de canalizaciones cerradas que, ocasionalmente, puedan operar como orificios y
conducciones forzadas.
El criterio empleado para calificar una obra como “punto negro” –para un período de retorno
dado- se basó en la comparación de la capacidad de paso de la misma para la peor combinación
factible de calados máximos, aguas arriba y aguas abajo, que no provocaran desbordamientos o
inundaciones, con el caudal local esperado para dicho período de retorno. En la figura 1 se
muestra un ejemplo correspondiente a una alcantarilla del Barranco de Tahodio, en Tenerife.
3.60 m
Control orificio
Control tubo lleno
Vista desde aguas abajo
Vista desde aguas arriba
Figura 1. Ejemplo de “punto negro” determinado por la comparación de caudales de paso y los
caudales previsibles locales para distintos períodos de retorno
En la tabla 1 se resumen de los resultados de los cálculos de la capacidad de paso de la obra bajo
las hipótesis de funcionamiento con la entrada sumergida. El control de “orificio” corresponde a
la condición de flujo con superficie libre en el interior de la alcantarilla y, el control de “tubo
lleno”, a la circulación a sección completa. Del análisis de los resultados se desprende que esta
obra ni siquiera tiene capacidad para evacuar el pico de la avenida de 50 años.
Tabla 1. Resumen de los resultados de la capacidad de paso de la obra del barranco de Tahodio.
Obra 3
Control de orificio
Control de tubo lleno
Calado máximo aguas
arriba
(m)
3.6
Q máximo
calculado
(m3/ s)
28
155
2
Caudal hidrológico local para T años, según CIATFE
50 años
100 años
500 años
133
160
229
Posteriormente se incorporaron al análisis los tramos de canalizaciones, obras edificatorias y
usos implantados en la zona del dominio público hidráulico (DPH). En la figura 2 se expone un
esquema de actuación típico de urbanización de terrenos del cauce de un barranco. La reducción
de la sección transversal repercute, necesariamente, en el comportamiento en el tramo afectado
y, potencialmente, aguas arriba y aguas abajo.
A
A
Planta
A-A
Figura 2. Ejemplo de actuación típica en el proceso de urbanización de barrancos.
La propuesta de obras nuevas en tramos intermedios de los barrancos, en el marco del desarrollo
sostenible de nuestros días, no debe ser ajena al presumible aumento del riesgo potencial, agua
arriba y aguas abajo, de las mismas. Ello nos ha conducido a traer a un primer plano de atención,
de la formación de los futuros egresados de nuestra ETSICI, de la práctica cotidiana de proyecto
y, también, de la formulación de los planes de ordenamiento territorial, la necesidad de
sistematizar los análisis de las influencias entre las actuaciones en los barrancos y entre estas y
el resto del territorio circundante.
2. Antecedentes.
La convocatoria pública del Presidente del Cabildo Insular de Tenerife y del Consejo Insular de
Aguas de Tenerife (equivalente a organismo de cuenca), a mediados de 2005, relativa a una
“participación social e institucional, durante el período de exposición y debate del Avance del
PDA” fue una oportunidad para que un grupo de profesores y alumnos de nuestra Escuela
desarrollaran un conjunto de Trabajos Prácticos y Proyectos de Fin de Carrera que abordaran el
análisis y propuestas de medidas correctoras para distintos barrancos de la isla afectados por la
riada de 2002.
Dichos trabajos permitieron conocer casos que, aunque identificados genéricamente por el
Avance del PDA, requieren, para su corrección, de análisis que se aborden desde una perspectiva
territorial pues las soluciones de obras que están “alineadas” en un cauce no pueden limitarse, en
3
general, a resolver los problemas locales pues generan, potencialmente, efectos perjudiciales
aguas arriba y aguas abajo.
3. Herramientas de cálculo.
Haciendo una breve síntesis de los aspectos de la Hidráulica de las conducciones con superficie
libre más relacionados con el propósito antes expresado, se puede plantear que el flujo en los
cauces, excepto en los tramos cortos con pendientes fuertes, con cambios de sección acusados o,
en caídas, discurre en régimen gradualmente variado. Ello permite la aproximación basada en el
conocido Método de los Pasos (Step Method). En esencia, este es un procedimiento de
integración numérica de la ecuación diferencial del flujo gradualmente variado que parte de un
calado conocido en uno de los extremos de cada subtramo de pendiente de fondo “uniforme”. Si
la pendiente es “rápida” o “supercrítica” para el caudal de cálculo, se parte de la sección de
aguas arriba. Si es “lenta” o “subcrítica”, del extremo opuesto. El HEC RAS dispone de una
opción de cálculo conocida como “mixed” que posibilita que el programa determine,
automáticamente, en que situación se encuentra cada subtramo de un tramo de análisis. Requiere
de información de las condiciones de calados en ambos extremos. El HEC RAS permite,
también, la inclusión de alcantarillas y puentes de diversas geometrías.
El reconocimiento de la existencia de secciones de control a lo largo de un barranco, por otra
parte, permite realizar el cálculo de las curvas de Elevación o de calado vs. Caudal en las obras
de paso operando únicamente con las ecuaciones de la Hidráulica Básica. Como es conocido,
dichas secciones pueden ser de los tipos: de calado crítico (en caídas), vertedor, orificio y de
“tubo lleno”. Su aplicación, sólo con las dimensiones características de la sección transversal o
de la obra de paso y el caudal, posibilita el cálculo de la elevación de la superficie o la carga
(calado más carga a velocidad media) en su inmediata vecindad aguas arriba. En el caso de
control de “tubo lleno” se necesita, además, una estimación de la rugosidad del conducto. Ello da
un resultado relativamente fácil de obtener para un diagnóstico “de campo” de la capacidad de
una obra de paso.
En tramos de sección y pendiente de fondo sensiblemente constantes, el flujo tiende a alcanzar
su calado “normal” de circulación. Dados el caudal y una estimación de la rugosidad del
perímetro mojado previsible, el empleo de alguna de las conocidas ecuaciones – Chezy, Manning
Strickler, etcétera- permite el cálculo del calado del flujo en esas condiciones.
Los análisis basados en las ecuaciones de la Hidráulica Básica, directamente, y en la aplicación
informática de las mismas: HEC RAS (Hydrologic Engineering Center's River Analysis System)
permiten obtener resultados prácticos “rápidos” si se puede aceptar la simplificación de flujo
unidimensional. Se enfatiza en el uso el uso del software de libre disposición antes mencionado
por su amplia divulgación y accesibilidad internacional y por sus razonables resultados si se
parte de las limitaciones reales en la cantidad y la calidad de los datos de campo e hidrológicos
que se pueden obtener, normalmente. Si se dispone de un modelo digital del terreno (MDT)
puede usarse alguna de las extensiones de ArcView o de ArcGis, conocidas como HEC
GeoRAS, para elaborar un fichero de datos RAS GIS para el HEC RAS.
La simulación hidrológica y el tránsito de avenidas por el “cauce” pueden ejecutarse con
software público: HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System)
para cuencas poco urbanizadas y EPA- SWMM (Enviromental Protection Agency´s Storm Water
Management Model) para zonas muy urbanizadas.
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4. Casos de estudio.
•
Caso 1. Actuación típica de urbanización.
La figura 2 anterior esquematiza una actuación típica de urbanización de terrenos en base a
“ganar” espacio –bien ciertamente escaso en las islas- del cauce de un barranco. La reducción de
la sección transversal del barranco tiene, potencialmente, efectos aguas arriba y aguas abajo. El
aumento de la velocidad del flujo y, en consecuencia, de su capacidad erosiva, por otra parte,
suele ser fuente del incremento de los acarreos y de deslave de la cimentación de los propios
muros laterales de la canalización.
•
Caso 2. Alcantarilla en el Barranco de Valleseco.
La figura 3 corresponde a un ejemplo de diagnóstico de la capacidad de paso de una alcantarilla
basado en los cálculos de la Hidráulica Básica. Se comprueba que, en contraposición al ejemplo
de la figura 1, esta obra sí puede evacuar los picos de las avenidas de cálculo para períodos de
retorno de 50 y 100 años, funcionando a “tubo lleno”.
Figura 3. Vista, desde aguas abajo, de una alcantarilla de cajón en el Barranco de Valleseco, Tenerife. Según
los cálculos, su capacidad de paso a “tubo lleno” es superior a los caudales del escurrimiento Q T = 50 años = 45
m3/ s y Q T = 100 años = 54 m3/ s.
•
Caso 3. Alcantarilla en el Barranco de Guayonje, T. M. de Tacoronte.
La figura 4 corresponde a un ejemplo de diagnóstico de la capacidad de paso de una alcantarilla
basado en los cálculos con HEC RAS. La alcantarilla está formada por dos tuberías de hormigón
armado de diámetro igual a 1. 15 m y de longitud igual a 30 m. El caudal hidrológico en esa
sección es de 31 m3/ s.
5
1. 15 m
Figura 4. Alcantarilla de dos tubos en el Barranco de Guayonje.
b. Sección longitudinal
a. Sección transversal
Figura 5. Resultados gráficos de la corrida del caudal para T = 50 años.
En la figura 5, a y b, se exponen los calados en las secciones transversal y longitudinal de la obra
para T = 50 años, obtenidos mediante la aplicación HEC RAS. En ambas figuras se aprecia, a
simple vista, que la obra funciona a tubo lleno y rebosa sobre la calle que debe proteger. En la
figura 6 se compara el estado de la alcantarilla antes y después de los arrastres sólidos generados
por las lluvias del 18 de marzo de 2007, de un período de retorno de, aproximadamente, 150
años. Aunque este fue un evento extremo, es evidente la necesidad de estabilizar el lecho y las
márgenes del tramo de barranco urbano aguas arriba de la obra.
6
Figura 6. Estado de la alcantarilla, “desaparecida bajo los sedimentos”, en la calle
Calvario como resultado de las lluvias del 18 de marzo de 2007.
•
Caso 5. Tramo de barranco aguas abajo de una actuación de obra reciente.
En la figura 7 se ejemplifica un caso representativo de la problemática de un tramo de barranco
aguas abajo de una obra hidráulica de reciente ejecución. En dicha figura se muestra una
composición de fotografías de un tramo del Barranco de “El Hierro”, también en Tenerife, sobre
una foto-plano de Google Earth.
La foto 1 corresponde a una obra de canalización reciente para el paso del viario urbano y una
zona ajardinada construidos en el cauce del barranco. En la esquina inferior derecha de la misma
se puede apreciar el tramo final correspondiente a un estanque amortiguador dimensionado para
garantizar que el caudal, de unos 45 m3/ s, correspondiente a un período de retorno de 100 años,
no provoque erosiones en la zona de descarga del agua al cauce natural. Las fotos 2 y 3
corresponden a secciones aguas abajo en las que se pueden apreciar actuaciones diversas
anteriores en el cauce del barranco. En la foto 3 se muestra una tubería de saneamiento ubicada
en el fondo del barranco que está parcialmente “desenterrada”. La foto 4 es una vista del interior
del paso bajo la calle que limita, aguas abajo, el tramo de barranco estudiado. La foto 5 es una
vista de la sección de descarga de ese mismo paso. Ninguna de las secciones mostradas en las
fotos 2 a 5 tiene capacidad para evacuar el caudal de 45 m3/ s sin provocar desbordamientos del
cauce. Aguas abajo de la calle Camino de El Hierro existe, no mostrado en las fotos, un parque
recreativo que actúa como balsa de laminación de avenidas.
Las obras del conducto de drenaje urbano y las construcciones edificatorias, en la zona de
dominio público hidráulico del tramo de barranco analizado, aguas abajo de la obra ejecutada,
queda, potencialmente, en una situación de riesgo mayor pues, como mínimo, se ha reducido la
capacidad de almacenaje temporal de la avenida en el cauce canalizado y la entrega de “agua
limpia” incrementará la capacidad de erosión de la corriente. Se da por sentado que en el PDA se
recogen las medidas de alerta y de evacuación de la población que habita el lugar.
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Figura 7. Composición de fotos de un tramo del Barranco de “El Hierro” analizado.
5. Criterios para una metodología de análisis.
Los criterios que se proponen tener en cuenta, más abajo, pretenden destacar el enfoque
hidráulico e hidrológico del alcance territorial de la influencia de la obra propuesta en los límites
hidráulicos de su zona de influencia.
Una metodología de análisis de la interacción entre las obras hidráulicas escalonadas, dando por
supuesto de que se dispone de los caudales máximos estimados para distintos períodos de
retorno, debe tender a abordar los aspectos hidráulicos e hidrológicos siguientes:
•
•
•
•
•
•
•
•
Cálculo del remanso potencial aguas arriba de la obra propuesta.
Diagnóstico de la modificación de la capacidad de paso, Elevación del agua vs. Caudal,
en las obras existentes aguas arriba, por los efectos potenciales de remanso de la obra
propuesta.
Estimación de las inundaciones derivadas aguas arriba de la obra por los efectos
anteriores sin medidas correctoras adicionales.
Redimensionamiento del proyecto, si procede, para minimizar o eliminar los efectos
aguas arriba.
Determinación de las medidas correctoras aguas arriba de la obra.
Cálculo del nuevo hidrograma de avenida generado en la descarga de la obra planteada.
Diagnóstico de la capacidad de paso, Elevación del agua vs. Caudal, en las obras
existentes aguas abajo.
Cálculo de los niveles de crecidas aguas abajo para distintos períodos de retorno.
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•
•
•
•
Estimación de las inundaciones derivadas aguas abajo de la obra por los efectos
anteriores.
Estimación de los cambios en la capacidad de erosión aguas abajo.
Redimensionamiento del proyecto, si procede, para minimizar o eliminar los efectos
aguas abajo.
Determinación de las medidas correctoras aguas abajo de la obra.
El análisis de la secuencia de las obras que minimicen una función objetivo de “costes sociales y
económicos” debiera formar parte de la planificación territorial. Las conclusiones que se derivan
del estudio de los aspectos arriba planteados pueden servir como una guía “técnica” de aspectos
hidráulicos e hidrológicos.
El análisis más detallado de dichos aspectos debiera aparecer, explícitamente, en la
documentación de impacto ambiental y en una estimación de costes –económicos y sociales- de
las medidas correctoras que se deriven de la ejecución de los proyectos.
6. Conclusiones y recomendaciones.
La propuesta de obras nuevas en tramos intermedios de los barrancos, en el marco del desarrollo
sostenible de nuestros días, no debe ser ajena al presumible aumento del riesgo potencial, agua
arriba y aguas abajo, de las mismas. Ello conlleva la necesidad de sistematizar los análisis de las
influencias entre las actuaciones en los barrancos y entre estas y el resto del territorio
circundante.
El análisis de la secuencia de las obras hidráulicas escalonadas que minimicen una función
objetivo de “costes sociales y económicos” debiera formar parte de la planificación territorial.
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