aplicación de sig y modelación hidrológica para la evaluación de un

XXIVº Congreso Nacional del Agua 2013
San Juan, 14 al 18 de Octubre de 2013
APLICACIÓN DE SIG Y MODELACIÓN HIDROLÓGICA PARA LA EVALUACIÓN DE
UN FENOMENO TORRENCIAL EN LA PCIA. DE RÍO NEGRO. ARGENTINA
Carlos Merg1, Daniel Petri1, Federico Schmidt1, Fernando Blanco1, Fernando Bodoira1,
Karina Rodríguez1, Leonardo Guzmán1, Mario Lupiano1, Marta Marizza2, Martín Nini1,
Matías Fernández1, Rodolfo Montalva1.
1.Departamento Provincial de Aguas de Río Negro
2. CENEHA. FICH. Universidad Nacional del Litoral. Santa Fe. Argentina.
1. San Martín 249, (8500) Viedma. Río Negro - Argentina. Teléfono 02920-420432
E mail:[email protected]
RESUMEN
En zonas áridas y semiáridas, las crecidas causadas por lluvias intensas y de corta duración suelen
tener consecuencias catastróficas, en particular en aquellas cuencas donde aguas abajo existen
asentamientos urbanos. Las precipitaciones intensas, originan crecidas aluvionales que se desplazan
hacia las zonas bajas, donde generalmente se encuentran núcleos urbanos, produciendo
anegamientos y resultando afectado y/o destruidos puentes, caminos y rutas. La tormenta del 8 de
marzo de 2012, que afectó gran parte de la provincia de Río Negro, Argentina, tuvo carácter de
extraordinaria, y ocasionó además de victimas fatales, importantes pérdidas económicas a la región.
Ante el peligro derivado de este fenómeno torrencial, se hace necesario ejecutar nuevos planes de
manejo de cuenca que contemplen la readecuación de las obras existentes y la ejecución de nuevas
obras en sectores de alta vulnerabilidad. Con esta finalidad, se reconstruyó la crecida del Aº Nahuel
Niyeu, que produjo la rotura del puente sobre la RN23, ubicado entre Nahuel Niyeu y Valcheta,
dejando aisladas a estas localidades, y a otros parajes, con numerosos evacuados. La evaluación de
la dinámica hídrica de la crecida se elaboró a partir de la combinación de técnicas de Sistemas de
Información Geográfica (SIG) vinculadas a modelación hidrológica. En base a información
meteorológica se determinó la distribución areal y temporal de la tormenta, y se estimó el máximo
caudal a través de un método indirecto, relevando las zonas más afectadas. Se implementó además,
un modelo hidráulico para caracterizar las elevadas velocidades que se produjeron en el sector. Las
técnicas utilizadas resultan adecuadas para la evaluación y análisis este tipo de fenómenos,
proporcionando estrategias para futuras actuaciones en la cuenca, con el fin de atenuar los caudales
máximos y alcanzar su sustentabilidad hidrológica.
Palabras clave: SIG, modelación hidrológica, modelación hidráulica.
INTRODUCCIÓN
Un fenómeno torrencial muy importante son los deslizamientos de tierras que dan origen a
los aludes con transporte de piedras, gravas, arenas y lodos, llevando además troncos o árboles
enteros mezclados y formando una masa que se mueve a mayor o menor velocidad según la
pendiente longitudinal del cauce. Los torrentes, más conocido en la región del Comahue, como
“aluviones”, tienen un importante potencial destructivo, producto de la gran energía del flujo, la
cual a su vez proviene principalmente de la elevada pendiente de los cauces y de la presencia de
materiales sólidos transportados por la corriente, los cuales junto con el agua pueden causar
enormes daños al alcanzar las planicies aguas abajo, donde normalmente se concentran las
actividades y la infraestructura humana.
Las precipitaciones intensas de recurrencia de 10 años o más, generan crecidas aluvionales
de gran magnitud que movilizan grandes cantidades de sedimentos que se depositan en la parte
inferior del sistema de cuencas cambiando con frecuencia la fisonomía del sector.
En zona de meseta predominan fenómenos de tipo "aluvional" en cauces secos que
esporádicamente transportan agua y gran cantidad de sedimentos. La creciente disponibilidad de
datos digitales espaciales referidos a las cuencas de drenaje ha propiciado el uso, cada vez más
extendido, de los Sistemas de Información Geográfica para el cálculo de los parámetros que
intervienen en los estudios hidrológicos.
Área de estudio: cuenca del Arroyo Niyeu
La zona de estudio corresponde a la cuenca del arroyo Nahuel Niyeu, éste nace de la
confluencia de los arroyos Treneta y Salado en la Provincia de Río Negro, Argentina (Figura 1). Las
cuencas de sus tributarios, cuyas superficies son 890 km2 y 1540 km2 respectivamente, tienen sus
nacientes en la meseta de Somuncura. A unos 10 km aguas arriba de la Ruta Nacional 23 (RN 23)
confluyen para dar nacimiento al arroyo Nahuel Niyeu. Este discurre con sentido suroeste–noreste
hasta su desembocadura en la laguna Tres Picos.
Figura 1, Cuenca del A° Nahuel Niyeu en la provincia de Río Negro. Argentina.
La cuenca tiene una superficie total de 2490 Km2. El clima es continental, templado y árido
con una precipitación media anual de difícilmente alcanza los 200 mm y heladas primaverales. En
1
su mayoría las precipitaciones son de origen convectivo, caracterizándose por su gran intensidad,
corta duración y escasa cobertura areal. Los vientos predominantes son de los cuadrantes oeste y
sudoeste, con mayor frecuencia en primavera-verano. Los suelos de la región son típicos de
desierto. Se caracterizan por su baja meteorización de origen coluvional, de texturas no muy
pesadas, entre arenosos y franco limosos, escasos en materia orgánica (< 1%), con velocidad de
infiltración media a alta y con un perfil profundo, sin gran desarrollo edáfico. La vegetación natural
predominante son estepas arbustivas, xerófilas, sammófilas o halófitas.
La RN23, que une Viedma con Bariloche fue afectada por la tormenta del 8 de marzo de
2012, produciendo la rotura del puente ubicado entre Nahuel Niyeu y Valcheta, dejando aisladas a
estas localidades, y a otros parajes, con numerosos evacuados y serios daños económicos.
MATERIALES Y METODOLOGIA
Para la reconstrucción de la crecida del Aº Nahuel Niyeu, primeramente, se realizaron
levantamientos topográficos en diferentes puntos, incluyendo sus tributarios, a fin de conocer
secciones transversales y pendientes del cauce y así estimar los caudales pico de crecida.
Para ello se relevaron perfiles y marcas de resaca dejadas por el agua identificadas sobre las
márgenes, en diferentes tramos (Figura 2). Se midieron secciones transversales y pendientes en la
zona de confluencia.
La información relevada permitió aplicar el método de Área – Pendiente, en el que a partir
de las características geométricas de la sección y la pendiente media de la crecida se puede estimar,
utilizando la ecuación de Manning, el caudal máximo. (Chow et al; 2000).
Figura 2: Demarcación ancho de inundación entre puente RN23 y Puesto Tarduño.
Desde el Puesto Tarduño, 3500 m aguas arriba del puente sobre la RN23, se delimitó el
ancho superficial que ocupó el agua en este evento. Debido a la magnitud del fenómeno la ruta
funcionó como una presa embalsando el agua, esto explica porque el ancho de inundación llegó
2
aproximadamente a los 1000 m en proximidades de la misma. Las mediciones permitieron
corroborar que aguas arriba de la ruta la carga hidráulica máxima fue del orden de los 8 m. El agua
en dicha sección pasó por sobre la ruta hasta que colapsaron el puente y la alcantarilla,
incrementándose la luz de escurrimiento. Un efecto similar se observó sobre la traza del ferrocarril,
sin rotura del puente pero con grandes daños a lo largo del terraplén.
Para la evaluación de la dinámica hídrica de la crecida se utilizó una metodología que
vincula técnicas de Sistemas de Información Geográfica (SIG) con la modelación hidrológica.
Para obtener las características morfometricas de la cuenca, se partió del Modelo Digital del
Terreno (MDT) que el Servicio Geológico de los Estados Unidos (U.S. Geological Survey) tiene
disponible para América del Sur (90 m de resolución), y desde Arc Gis 9.2 (ESRI, 2007), utilizando
la extensión HEC-GeoHMS 4.2.92 (USACE.a, 2012), se delimitaron las subcuencas y red de
drenaje como se observa en la Figura 3.
Resultado del procesamiento del MDT con
HEC-GeoHMS
Figura 3. MDT y subcuencas del Aº Nahuel Niyeu
Modelo Digital del Terreno
Análisis de la tormenta
Se compararon la distribución temporal de la tormenta, obtenida a partir del registro de una
red de 18 pluviómetros de la cuenca, que provee valores de precipitación acumulada en 24 hs y la
suministrada por el Servicio Meteorológico Nacional.
En la Figura 4.a se muestra a modo ilustrativo el mapa de la tormenta a una hora
determinada, con una escala de colores correspondiente a la pluviometría determinada a través del
modelo CMORPH (NOAA CPC Morphing Technique) (Joyce et al., 2004). El modelo está basado
en el uso de microondas pasivas para estimar la tasa de precipitación asociada a los sistemas
nubosos y al uso de las imágenes infrarrojas de los satélites GOES para estimar el desplazamiento
de los mismos.
La Figura 4.b muestra la distribución espacial a partir de los registros pluviométricos.
3
a. Modelo CMORPH
b. Distribución espacial a partir de registros pluviométricos
Figura 4. Distribución espacial de la tormenta del 8 de marzo de 2012
Se superpusieron los datos de precipitación de la red pluviométrica con los datos del modelo
CMORPH para el total de 24hs del día 8 de marzo de 2012, la Figura 5 muestra grandes diferencias
tanto en la ubicación del foco de la tormenta como en las pluviometrías totales.
Figura 5. Valor puntual medido en cada estación pluviométrica de la red sobre la imagen de pluviometría acumulada en
24hs de CMORPH, tormenta del día 8 de marzo de 2012.
Estudios antecedentes (Ruiz et al., 2009) indican que los datos estimados con CMORPH
suelen tener errores sistemáticos tanto en magnitud como en la localización de la precipitación, y en
particular para la región de Sudamérica los datos CMORPH tienden a sobreestimar los valores
acumulados de precipitación. Por tal motivo, para este estudio se consideraron como válidos los
datos medidos en la red, la cual presenta una buena densidad en la cuenca en estudio.
Siguiendo el esquema de subcuencas (Figura 3), la precipitación total para cada una de ellas
se puede observar en la Tabla 1.
4
Tabla 1: Precipitaciones totales para cada subcuenca, en [mm] de lámina total precipitada
Cuenca Aº Salado
Cuenca Aº Treneta
Cuenca Aº Nahuel Niyeu
Sub-Nº 4
Sub-Nº 5
Sub-Nº 6
Sub-Nº 7
Sub-Nº 1
Sub-Nº 2
Sub-Nº 3
Sub-Nº 8
58.22
84.7
63.73
122.08
116.09
126.55
129.12
131
.
Para definir la distribución temporal que tuvo la tormenta en la cuenca se analizaron los datos
del modelo CMORPH, tomando distintos puntos distribuidos a lo largo de la cuenca y calculando el
hietograma resultante en cada caso. Dichos histogramas, además de haber resultado muy variables
entre sí, arrastran el error de localización observado en el ítem anterior; por lo cual son de dudosa
aplicabilidad a la escala de cuenca (pequeña a mediana).
En la zona no existen estaciones con registros pluviográficos que hayan posibilitado medir las
intensidades precipitadas. Según entrevistas a pobladores y algunas anotaciones en las
observaciones de las planillas pluviométricas, se estima que la lluvia comenzó aproximadamente a
las 21.00 hs, y tuvo una duración de 3 a 5 horas.
Para estimar la distribución temporal de la tormenta se han observado los registros
pluviográficos de las estaciones más cercanas a la cuenca, ya que la misma tormenta afectó a gran
parte del territorio rionegrino. Los datos más relevantes surgen de la estación Luis Beltrán, cuyo
hietograma porcentual se presenta en la Figura 6.
Estación Luis Beltrán
Distribución Temporal de la Tormenta
35.0
30.0
P [%]
25.0
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
30
60
90
120
150
180
Tiempo [min]
210
240
270
Figura 6. Hietograma porcentual de la tormenta registrada por el pluviógrafo de Beltrán.
Modelación Hidrológica
El modelo empleado para la simulación hidrológica es el HEC-HMS 3.5 (USACE.b, 2012).
Para la modelación hidrológica se aplicó la distribución temporal de la Figura 6 a las
precipitaciones totales de cada subcuenca (Tabla 1), obteniéndose los hietogramas a emplear como
input en el modelo meteorológico. Del mismo modo se realizó con la distribución que presentaba
mayor pluviometría de los datos CMORPH, como elemento de comparación.
Las pérdidas fueron representadas a través del método de número de curva (CN), desarrollado
por el U.S. Soil Conservation Service (SCS), Los valores de CN para cada subcuenca se obtuvieron
utilizando la metodología de Ferrer et al, (1995) mediante algebra de mapas de suelos (SAGPyA5
INTA (1990), pendientes y cobertura vegetal (MOD09Q1P_NDVI_LandCover del sensor MODIS
Terra), en el medioambiente de Arc Gis 9.2.
En la Figura 7a. se presenta la distribución espacial del parámetro CN en la cuenca. Siguiendo
el esquema topológico de cálculo el CN promedio para cada subcuenca se observa en Figura 7b.
b.Valores de CN II para cada Subcuenca
a. Mapa del parámetro CN.
Figura 7. Parámetro CN para las cuencas de estudio.
Para la transformación lluvia caudal se adoptó el modelo basado en el concepto de
hidrograma unitario del Servicio de Conservación del Suelo de EEUU (SCS). El tiempo de
concentración (Tc), a través del cual se determina el “Tlag” que es el tiempo de retardo, se estimó
con la expresión de Kirpich El método de Muskingum se utilizó para propagar los hidrograma en
los tramos de río. (Chow et al, 2000).
Modelación Hidráulica
Utilizando los relevamientos realizados en la confluencia de los Aº Treneta y Salado, que dan
origen al Aº Nahuel Niyeu, se consideró oportuno representar el comportamiento hidráulico de
estos cursos frente a las condiciones hidrológicas obtenidas del modelo HEC HMS, utilizando el
modelo HEC-RAS versión 4.1.0 (USACE.c, 2012).
Para escurrimiento permanente, la superficie de agua se determina como flujo gradualmente
variado, y está basado en la solución de la ecuación unidimensional de la energía. El modelo, es
capaz de simular diferentes condiciones del régimen: Supercrítico, Crítico y Subcrítico. Considera
las pérdidas de carga por fricción (ecuación de Manning) y por contracción/expansión. Para las
situaciones donde se da un movimiento rápidamente variado, se utiliza la ecuación de variación de
cantidad de movimiento (Chow, et al., 2004).
El Coeficiente de Rugosidad (n), clave en la calibración y ajuste del modelo hidráulico que
utiliza la ecuación de Manning para la determinación de las cotas del pelo de agua, fue estimado a
partir de de fotografías obtenidas durante el relevamiento topobatimétrico e imágenes satelitales.
Considerando que el “n” de Manning es el único parámetro de ajuste del modelo y debido a las
características del flujo, el cual presentaba una alta concentración de sedimentos asemejándolo a un
6
flujo de tipo denso, los valores de “n” adoptados fueron mayores a lo que indicaría la bibliografía
(del orden de 0.04 a 0.055).
RESULTADOS
Como resultado de la aplicación del método área-pendiente en la sección Puesto Tarduño,
ubicada a 3600m aguas arriba del puente de la RN23, se obtuvo un caudal pico de
aproximadamente 1980 m3/s en esa sección.
En la tabla 2, se observan los parámetros hidráulicos obtenidos. Y en la tabla 3, se muestran
los caudales obtenidos por el método Área-Pendiente y simulados por el HEC HMS. El tiempo al
pico fue 10,5 hs luego del inicio de la tormenta.
Tabla 2. Caudales estimados a través del método Área – Pendiente
Parámetros Hidráulicos
I
[m/m]
A
[m2]
P
[m]
RH
[m]
n
v
[m/s]
Q
[m3/s]
Aº Treneta
0.005
340.12
103.25
3.30
0.05
3.21
1093.11
Aº Salado
0.003
374.42
104.36
3.59
0.05
2.58
966.31
Aº Nahuel Niyeu
0.004
608.82
167.67
3.63
0.05
3.24
1971.98
Tabla 3. Comparación de caudales estimados con el método Área-Pendiente y los simulados con el HEC HMS
Hidrológica
Caudal Área-Pendiente
[m3/s]
966.31
Caudal HEC HMS
Diferencia
[m3/s]
988.10
[%]
2.25
Treneta
1093.11
995.20
8.95
Nahuel Niyeu
1971.98
1991.8
1.01
Arroyo
Salado
Resultados similares se obtuvieron con la aplicación del hietograma porcentual más crítico
obtenido de los datos CMORPH, de acuerdo a la información pluviométrica de la red según muestra
el mapa de la tormenta (Figura 4.b). Dicha similitud se debe fundamentalmente a que la duración de
la tormenta es significativamente menor al tiempo de concentración de la cuenca, y los totales
precipitados son en ambos casos los mismos. Los resultados del modelo hidráulico para el tramo
confluencia se presentan en la Tabla 4.
Tabla 4: Parámetros hidráulicos de los tramos modelados.
Arroyo
[Nombre]
Resaca Progresiva Perfil Cota Fondo Pelo de Agua
(m)
Velocidad
Área
Ancho
∆h
(m/s)
(m2)
(m)
[m]
0.006
3.28
0.005
2.96
303.07
336.28
354.88
380.84
437.92
354.99
368.06
360.19
352.75
336.3
357.46
309.95
435.18
400.84
377.53
514.94
599.38
638.31
664.94
630.85
677.75
87.68
97.85
101.59
98.28
127.45
104.75
92.52
108.28
115.67
97.13
86.97
92.66
108.08
97.01
100.43
142.99
154.12
168.47
179.99
174.02
187.75
912.23
1
11.46
16.29
Tre neta
15.43
815.13
2
11.03
15.79
Tre neta
15.21
722.91
3
10.55
15.37
0.005
2.8
Tre neta
14.87
642.91
4
10.25
15.08
0.004
2.61
Tre neta
14.47
560.6
5
9.94
14.87
0.003
2.27
Tre neta
14.39
477.45
6
9.42
14.4
0.005
2.8
Tre neta
13.46
360.8
7
8.73
13.94
0.004
2.7
Tre neta
14.00
288.33
8
8.49
13.58
0.006
2.85
Tre neta
12.97
185.79
9
7.66
12.91
0.008
2.82
Tre neta
12.57
127.33
10
7.37
12.42
0.007
2.96
Tre neta
12.02
Salado
(m)
I
[m]
Tre neta
[nº]
(m/m)
[m]
0
11
6.49
11.69
0.005
2.78
444.23
4
6.27
11.38
0.006
3.19
Salado
11.15
242.88
3
5.65
11.31
0.001
2.27
Salado
10.95
138.61
2
5.4
11.2
0.001
2.47
Salado
10.78
0
1
5.23
11.06
0.001
2.62
Nahue l Niye u
10.00
516.8
6
4.53
10.1
0.006
3.87
Nahue l Niye u
9.67
417.58
5
4.43
9.79
0.004
3.32
Nahue l Niye u
9.39
315.56
4
4.3
9.48
0.003
3.12
Nahue l Niye u
9.02
222.54
3
4.13
9.2
0.003
3
Nahue l Niye u
8.78
91.94
2
3.22
8.7
0.004
3.16
0
1
2.49
8.43
0.003
2.94
Nahue l Niye u
0.36
0.16
0.21
0.40
0.01
0.48
0.42
0.06
0.15
0.33
0.16
0.25
0.28
0.10
0.12
0.09
0.18
0.08
7
CONCLUSIONES.
El evento de precipitación ocurrido el día 8 de marzo de 2012 en gran parte de la provincia
de Río Negro ha sido extraordinario, generando importantes crecidas en diferentes cursos de agua
de la región y registrándose daños en muchos de ellos: tal es el caso de la rotura del puente de la
RN23 sobre el Aº Nahuel Niyeu.
Con el fin de recolectar toda la información posible para poder estimar la magnitud del
fenómeno, se relevaron las zonas más afectadas, entre ellas las cuencas de los Aº Nahuel Niyeu y
Valcheta.
En base a relevamientos topobatimétricos se aplicó el método Área-Pendiente con el
objetivo de determinar la magnitud del fenómeno, los resultados a través de este método arrojaron
un caudal de casi 2000 m3/s en secciones de aproximación al puente antes mencionado. Debido a la
magnitud del fenómeno la ruta funcionó como una presa embalsando el agua, El agua en dicha
sección pasó por sobre la ruta hasta que colapsaron el puente y la alcantarilla, incrementándose la
luz de escurrimiento. El mismo efecto se observó sobre la traza del ferrocarril.
En base a los registros pluviométricos de la cuenca y los registros pluviográficos de
estaciones próximas al área de estudio, se determinó la distribución areal y temporal de la tormenta.
A partir de información topográfica y mediante SIG, se determinaron los parámetros físicos de la
cuenca y subcuenca de aporte a la sección de la RN23, vinculándose luego a un modelo hidrológico
con el fin de evaluar con mayor efectividad la fenomenología torrencial del evento. Finalmente los
caudales generados fueron contrastados con los estimados a partir de las mediciones de campo. Los
resultados fueron muy similares.
Por último se implementó un modelo hidráulico en la zona de confluencia, donde se
obtuvieron los parámetros hidráulicos en cada perfil relevado, denotándose las elevadas velocidades
que caracterizaron el fenómeno, con valores de entre 2 y 3 m/s. Si bien han sido elevadas, coinciden
con las obtenidas a través del método Área-Pendiente. En cuanto al ajuste del modelo, se considera
aceptable en función de la información disponible.
Dado que en la región, las precipitaciones intensas generan crecidas aluvionales de gran
magnitud que originan cuantiosas perdidas económicas, y en ocasiones hasta vida humanas, la
evaluación de la fenomenología torrencial vinculando distintas técnicas, resulta satisfactoria para
analizar, a través de los resultados, nuevos planes de manejo de cuenca que contemplen la
readecuación de las obras existentes y la ejecución de nuevas obras en sectores de alta
vulnerabilidad.
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9