IV Jornadas de Ingeniería del Agua La precipitación y los procesos erosivos Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015

Simulación hidrológica utilizando precipitación asociada a eventos de tipo ciclónico: Caso de estudio cuenca del río La Silla. V. H. Guerra Cobián, A. L. Ferriño Fierro, R. A. Cavazos González Universidad Autónoma de Nuevo León. Facultad de Ingeniería Civil. Centro Internacional del Agua, Departamento de Hidráulica. Av. Universidad s/n, Ciudad Universitaria, San Nicolás de Los Garza, Nuevo León, México.

1. Introducción México es uno de los países del mundo más afectados por ciclones tropicales y es quizá la única región que puede recibir efectos de ciclones provenientes de dos zonas ciclógenas completamente independientes, la del Atlántico Norte y la del Pacífico Nororiental (Rosengaus, 2002). Las precipitaciones que acompañan a los huracanes son extremadamente variables y difíciles de predecir. Los daños ocasionados, a centros de población, asociados a eventos ciclónicos como los huracanes, se han visto incrementados tanto en intensidad como en ocurrencia en los últimos años. En particular, el Área Metropolitana de Monterrey (AMM) en el Estado de Nuevo León (México) a través de su historia se ha visto afectada por fenómenos meteorológicos (tabla 1). Específicamente, los eventos hidrometeorológicos que han ocurrido en los últimos cien años son los que se tienen registros o evidencias, ya sea fotográficas o de los cronistas del AMM. Por ejemplo, el huracán Beula de 1967 fue el primero de los que se conocen con nombre, el huracán Gilbert de 1988 rompió todos los paradigmas anteriores y dio pie a que se organizara formalmente Protección Civil del Estado. Gilbert era el referente en cuanto a la magnitud y daños ocasionados por las lluvias, y aunque en 2005 se presentó el huracán Emily, no es sino hasta el 2010 con el huracán Alex que se observó la magnitud destructiva que tienen estos fenómenos.

Huracán

Año

Categoría (SaffirSimpson)

Vientos máximos (km/h)

Presión atmosférica (hPa)

Beulah

1967

5

260

923 hPa

Gilbert

1988

5

295

888 hPa

Emily

2005

5

260

929 hPa

Alex

2010

2

175

946 hPa

Tabla 1. Huracanes que han azotado el Área Metropolitana de Monterrey.

M.3.

El principal impacto del huracán Alex fue la precipitación torrencial que se registró en toda la región. El pluviómetro en la estación Estanzuela reportó 890 mm, la estación en San Pedro Garza García registró 588 mm, mientras que la estación en Santa Catarina registró 592 mm. La Comisión Nacional del Agua (CONAGUA, 2010) indicó que los acumulados de lluvia que dejó la tormenta excedieron largamente los producidos por el huracán Gilbert en 1988, cuando sólo cayeron 280 mm en el AMM. Por otro lado, debido a la falta de medición de la escorrentía en los principales ríos y arroyos del AMM, el presente trabajo muestra la modelación hidrológica distribuida efectuada a partir de los datos de las lluvias durante los huracanes Emily y Alex en el río “La Silla”. Se pretende reproducir el gasto pico de la avenida para comprender la magnitud de los daños ocasionados, y poder implementar a corto plazo medidas estructurales para evitar daños cuando se presente otra avenida de igual magnitud.

2. Metodología 2.1 Zona de estudio La cuenca del río La Silla está localizada dentro del Área Metropolitana de Monterrey 2 (AMM) y es una de las principales cuencas urbanas, el área de drenaje abarca 155.3 km . El río principal nace en la Sierra Madre Oriental en la zona del cañón del Huajuco y tiene una longitud de 35 km, fluye de Sur a Norte hasta la comunidad “Los Lermas” para cambiar de dirección hacia el Este. Cruza por los municipios de Monterrey, Guadalupe y Benito Juárez, donde finalmente se une al río Santa Catarina por la margen derecha (figura 1). La importancia de esta cuenca radica, en que, por ambas márgenes existe infraestructura urbana (casas, vialidades, redes de agua potable y drenaje sanitario, etc.), y las lluvias debidas al paso del huracán Alex por el AMM en 2010, ocasionaron erosión y socavación en ambas márgenes y en el fondo del río, lo cual generó grandes pérdidas y daños materiales.

Figura 1. Principal red hidrográfica del río La Silla en su cruce por el AMM.

M.3.

2.1 Descripción del modelo hidrológico La modelación de la cuenca del río La Silla se llevó a cabo mediante la aplicación del modelo CEQUEAU (Morin et al., 1998), el cual es un modelo hidrológico de parámetros distribuidos. El modelo hidrológico está constituido básicamente por el módulo de preparación de datos fisiográficos, el módulo de preparación de datos hidrometeorológicos y el módulo de simulación. Los datos de entrada al módulo de preparación de datos fisiográficos consisten de los datos generales de los cuadros (información de la red de drenaje, ocupación del suelo y altitud de los cuadros que discretizan la cuenca en estudio), los datos de la superficie de la cuenca, así como la ubicación de las estaciones hidrométricas consideradas en la simulación. El módulo de preparación de datos hidrometeorológicos contiene el periodo de preparación de los datos, el número de estaciones consideradas, el nombre de los archivos que contienen la información y la ruta de acceso a estos archivos. El periodo de información disponible en la base de datos hidrometeorológica debe ser igual o menor que el período de preparación. Por último, el módulo de simulación contiene el archivo de los parámetros del modelo que gobiernan el fenómeno lluvia-escurrimiento. Para obtener los caudales a la salida de la cuenca, el modelo efectúa la simulación tomando en cuenta tres recipientes: el recipiente lagos y ciénagas, el recipiente suelo y el recipiente subsuelo (figura 2). Consta básicamente de dos partes que definen la forma en que se obtiene el flujo o caudal. La primera parte es la función de producción que considera el movimiento vertical del agua. Esta función determina la cantidad de agua en los recipientes, la cual puede provenir de la lluvia o de la fusión de nieve (esta operación se realiza para cada cuadro e intervalo de tiempo).

Figura 2. Modelo conceptual de tres recipientes.

Los escurrimientos superficial y retardado dependen del nivel del agua en el recipiente suelo, de los coeficientes conceptuales de vaciado y de las propias alturas de vaciado de dicho recipiente. De esta forma la escorrentía superficial se efectúa cuando la altura del agua disponible en este recipiente es superior al umbral del orificio de vaciado, o de otra forma, M.3.

cuando el volumen de agua infiltrada es mayor que el déficit de humedad del suelo. La escorrentía superficial y subsuperficial generada en cada elemento se suman a la escorrentía que se generan en las superficies impermeables, para dar lugar a una parte de la lámina de agua finalmente disponible para su incorporación a los cauces. Además, se tiene que tomar en cuenta el agua que potencialmente puede infiltrarse si existe un acuífero subyacente, y que se va a infiltrar a través de la zona no saturada, alimentando directamente a un segundo recipiente (acuífero). Las salidas o aportaciones generadas por dicho recipiente dependerán del nivel piezométrico en el acuífero, de los coeficientes de vaciado y de dos alturas de vaciado definidas para diferentes situaciones hidráulicas. Estas aportaciones se suman a las láminas de agua precedentes, determinando así, la cantidad total de agua disponible en la cuenca para el escurrimiento en los cauces. La segunda parte definida como función de transferencia, es la encargada de efectuar la transferencia o movimiento del agua cuadro por cuadro. El volumen de agua finalmente disponible en cada elemento parcial se obtiene multiplicando la lámina de agua obtenida de la función de producción, por la superficie del elemento parcial considerado. Este volumen se suma a los volúmenes entrantes a este elemento, procedentes de los elementos parciales vecinos (figura 3). 1 A

2 40% B

60%

Función de Transferencia

A 100%

3

A Producción sobre 1

% 60 1

QA

A

40 % B

A 75%

A 100%

Producción sobre 2

QB 1

B 25%

Producción sobre 4 Producción sobre 3

A

% 75

25 % B

QA

A

4 QA

2

B

4

A

QB

4

QA

3

Figura 3. Función de transferencia cuadro por cuadro.

2. 2 Información utilizada en la modelación La modelación hidrológica de la cuenca del río La Silla se llevó a cabo utilizando datos de precipitación diaria de cuatro estaciones climatológicas (tabla 2). La selección de las estaciones se realizó con base en un análisis de disponibilidad de información. Se preparó para cada estación un archivo con los datos diarios de precipitación, temperatura máxima y mínima de acuerdo al formato requerido por el modelo hidrológico. Las bases de datos utilizadas en la preparación de los archivos hidroclimatológicos fueron: El Banco Nacional de Datos de Aguas Superficiales (BANDAS, 2015), el Extractor Rápido de Información Climatológica ERIC III (IMTA, 2013). M.3.

Clave

Estación

Municipio

Longitud (Oeste)

Latitud (Norte)

Altitud (msnm)

19015

El Cerrito

Santiago

100.1933

25.5100

510

19052

Monterrey (OBS)

Monterrey

100.3047

25.7336

515

19061

Topo Chico

San Nicolás

100.2669

25.6825

495

19069

La Boca

Santiago

100.1289

25.4294

720

Tabla 2. Localización de las estaciones climatológicas utilizadas en la modelación.

Con respecto a la medición de los escurrimientos en el río La Silla, los gastos observados se midieron en la estación hidrométrica 24387 Los Lermas, la cual operó de 1973 a 1994. Los escurrimientos asociados al huracán Gilbert de 1988 se registraron en la estación, siendo el 3 máximo observado de 238.65 m /s. Además, se cuenta con los hidrogramas de las avenidas de 1973, 1974, 1976 y 1986 que no fueron producidos directamente por huracanes. Por otro lado, en la modelación se utilizó el SIG Idrisi (Eastman, 2012) para la obtención de los parámetros fisiográficos de la cuenca, la discretización de la misma, el sentido de los flujos en cada cuadro, así como los archivos requeridos por el modelo CEQUEAU. Estos se generaron mediante la aplicación de un módulo hidrogeomático que trabaja al interior del SIG Idrisi (Guerra-Cobián, 2007). Se utilizó un Modelo Digital de Elevación (MDE) de la zona en estudio, de 25 metros de lado, el cual fue construido por interferometría de radar (http://seamless.usgs.gov/). La figura 4 muestra el MDE empleado, la red hidrográfica principal, el área de la cuenca, así como la ubicación en la cuadrícula con coordenadas UTM14.

Figura 4. MDE de la zona de estudio, se observa el área de la cuenca del río La Silla y la red hidrográfica.

Una de las variables que el modelo hidrológico toma en cuenta es el área de bosques. La figura 5 muestra las áreas de cobertura de bosque, en porcentaje, con respecto a cada uno de los cuadros que discretizan la cuenca. La información M.3.

de la cobertura boscosa se tomó del mapa de uso de suelo de la Comisión Nacional para el Uso y Conocimiento de la Biodiversidad (CONABIO, 2015).

Figura 5. Cuenca del río La Silla dsicretizada.

La función de transferencia utiliza las elevaciones de cada cuadro, con respecto al nivel medio del mar, para el movimiento del agua a través de cada cuadro que discretiza la cuenca (figura 3). La figura 6 presenta la distribución de elevaciones de cada cuadro en la cuenca del río La Silla.

Figura 6. Cuenca del río La Silla dsicretizada.

Finalmente, la discretización de la cuenca se llevó a cabo dividiéndola en una malla de cuadros de 500 m por lado. La figura 7 muestra la cuenca discretizada, así como los sentidos del flujo en cada elemento.

M.3.

Parteaguas

Flujo

Cuadro de discretización

Figura 7. Cuenca del río La Silla dsicretizada.

3. Resultados y discusión 3.1 Datos hidroclimatológicos Los datos de la precipitación registrada en las estaciones utilizadas, y que se presentó en la zona de la cuenca del río La Silla durante el paso del huracán Alex, se muestra en la figura 8. Se observa que la mayor parte de la precipitación ocurrió los días 1 y 2 de julio de 2010. La estación climatológica 19015 El Cerrito registró 315.0 mm y la estación 19069 La Boca registró 389.3 mm. El promedio anual en el AMM es de 720 mm, y la precipitación acumulada durante el huracán Alex fue de 813.3 mm en la estación 19015 El Cerrito y 859.0 mm en la estación 19069 La Boca.

Figura 8. Precipitación registrada en las estaciones utilizadas en la modelación durante el huracán Alex.

M.3.

La figura 9 muestra los gastos máximos anuales durante el período de registro de la estación 3 hidrométrica 24387 Los Lermas. Se observa que el gasto máximo registrado es de 238.6 m /s y corresponde a la avenida que produjo el huracán Gilbert en septiembre de 1988. El 3 promedio de los gastos máximos registrados es de 68.3 m /s, y el mínimo de los máximos 3 fue 11.0 m /s.

Figura 9. Gastos máximos en la estación 24387 Los Lermas en el período de 1973 a 1994.

3.2 Resultados de la calibración y validación del modelo La calibración del modelo se realizó ajustando los principales parámetros que gobiernan el fenómeno lluvia-escurrimiento utilizando la técnica prueba-error, y visual observando los hidrogramas tanto medido como simulado. El modelo hidrológico se calibró utilizando los hidrogramas de las avenidas máximas de los años 1973, 1974 y 1976; y en la validación se emplearon los hidrogramas de las avenidas máximas de los años 1986 y 1988 (huracán Gilbert). Para verificar la calidad de los resultados, se emplearon como funciones objetivo el 2 coeficiente de Nash (Nash y Sutcliffe, 1970) y el coeficiente de determinación R . Los resultados fueron ampliamente satisfactorios, debido a que se logró obtener valores del 2 coeficiente de Nash de 0.995 y R de 0.955 en la calibración, y en la validación de 0.996 y 0.985 respectivamente (tabla 3). Cabe mencionar que el objetivo de la modelación fue reconstruir las avenidas provocadas por las precipitaciones de los huracanes Emily y Alex, por lo que los esfuerzos de la calibración y validación del modelo hidrológico utilizado fueron simular los “picos” de los hidrogramas mencionados. Se observa en la figura 10 que los hidrogramas de las avenidas simuladas reprodujeron adecuadamente los picos de los hidrogramas.

M.3.

Coeficiente de Nash

R2

0.945

0.955

0.995

0.925

1976

0.851

0.884

1986

0.996

0.861

0.981

0.985

Año

Periodo

1973 1974

1988

Calibración

Validación

Tabla 3. Resumen de resultados de las funciones objetivo utilizadas.

Figura 10. Hidrogramas observados y simulados en el período de calibración y validación.

3.2 Reconstrucción de gastos no aforados La reconstrucción de las avenidas máximas asociadas a las precipitaciones de los huracanes Emily y Alex se muestra en la figura 11. Se observa que, en el caso de las precipitaciones producidas por el huracán Emily, el aumento en el hidrograma pasó de un gasto de 3 prácticamente cero el 19 de julio a 143.7 m /s el 21 de julio; y en el caso del huracán Alex se 3 incrementó de cero el día 29 de junio a 436.0 m /s el día 2 de julio. La duración de la avenida fue de 3 días para el huracán Emily y cuatro días para el huracán Alex.

M.3.

Figura 11. Hidrogramas reconstruidos de las avenidas de los huracanes Emily y Alex.

Conclusiones Se logró llevar a cabo la reconstrucción de los gastos no aforados en el río La Silla utilizando el modelo hidrológico de parámetros distribuidos CEQUEAU. Actualmente, la información hidrometeorológicos disponible en formatos digitales ayuda en la implementación de modelos matemáticos, en especial de los modelos hidrológicos. Además, el uso de los Sistemas de Información Geográfica (SIG) es indispensable para llevar a cabo pre procesos requeridos en la modelación. Finalmente, el modelo hidrológico reprodujo satisfactoriamente los hidrogramas de las avenidas producidas por los huracanes Emily y Alex en la cuenca del río La Silla, lo cual permitirá tomar decisiones para implementar medidas estructurales para evitar futuros daños ocasionados por huracanes.

Agradecimientos Este trabajo fue apoyado por la CONAGUA con recursos federales en el marco del convenio SGIH-OCRB-NL-10-IH-282-RF-CC y por el PROFOCIE-2014-19MSU0011T-18.

Referencias BANDAS, 2015. BANCO NACIONAL DE DATOS DE AGUAS SUPERFICIALES, Comisión Nacional del Agua, Subdirección General Técnica, Gerencia de Aguas Superficiales e Ingeniería de Ríos, México, (http://www.conagua.gob.mx/). CONABIO, 2015. Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad, México, (http://www.conabio.gob.mx/). Eastman, J. R., (2012). Idrisi 17.0 The Selva Edition. Guía para SIG y Procesamiento de Imágenes. Clark Labs, Clark University, USA.

M.3.

ERIC III, 2013. Extractor Rápido de Información Climatológica, Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), México. Guerra-Cobián, V. H., 2007. Análisis del efecto de discretización espacial en el modelado hidrológico de cuencas utilizando el modelo distribuido CEQUEAU-ONU, Tesis de doctorado, Centro Interamericano de Recursos del Agua, Universidad Autónoma del Estado de México, 231 pp. Morin, G., Sochanski, W., Paquet, P., (1998). Le modèle de simulation de quantité CEQUEAUONU, Manuel de référence. Organisation des Nations Unies et INRS-Eau, Rapport de recherche no 519, 252 pp. Nash, J. E., Sutcliffe, J. V., 1970. River flow forecasting through conceptual model, Journal of Hydrology, 10, 282-290. Rosengaus, M., 2002. Efectos destructivos de ciclones tropicales, Editorial MAPFRE, Segunda reimpresión (patrocinada por la Comisión Nacional del Agua, México), Madrid, España. ISBN 84-7100-850-5.

M.3.

M.3.