Las inundaciones urbanas son un fenómeno asociado a grandes precipitaciones, relativamente, en cortos períodos de tiempo, las causas que las provocan son disimiles y generalmente vienen acompañadas por una deficiente planificación urbana. La ciudad de Santa Clara, Cuba presenta graves problemas de inundaciones cercanas a los ríos Bélico y Cubanicay debido a la disminución de la sección de sus cauces por indisciplinas urbanísticas. La presente contribución obtiene los valores del caudal máximo de escurrimiento para varias secciones de control ubicadas a lo largo de dichos ríos, usando para ello el modelo TR-55 (Technical Report 55) del Servicio de Conservación de los Recursos Naturales de Estados Unidos. Se realizan tres modelaciones asociadas a lluvias convectivas Tipo I, II, III agrupadas a los picos de las tormentas y su ubicación temporal, con lo cual se pueden definir los gastos máximos relacionados a tormentas de configuración diferentes para una probabilidad del 1 %, 2 % y 10 %. Los resultados obtenidos demuestran que la situación más crítica ocurre para la lluvia Tipo III y el valor máximo de escurrimiento para una probabilidad del 1 % en el punto de cierre de la cuenca es de 170 m./s.
Urban floods are a phenomenon associated with heavy rainfall in relatively short periods of time, the causes that cause them are dissimilar and are generally accompanied by poor urban planning that reduces hydraulic sections of rivers, streams, and any drainage channel. The city of Santa Clara in Cuba presents serious flooding problems near the Bélico and Cubanicay rivers due to the decrease in the section of their channels due to urban indiscipline. This contribution obtains the values of the maximum runoff flow for various control sections located along these rivers, using the TR-55 model (Technical Report 55) of the United States Natural Resources Conservation Service (NRCS), for its acronym in English, formerly named Soil Conservation Service). Three models associated with convective rains Type I, II, III associated with the peaks of the storms and their temporal location will be carried out, with which the maximum expenses associated with storms of different configuration can be defined for a probability of 1 %, 2 % and 10 %. The results obtained show that the most critical situation occurs for Type III rain and the maximum runoff value for a 1 % probability at the basin closure point is 170 m./s.
El constante aumento de la población y la acelerada urbanización de las ciudades incrementa el riesgo de inundaciones, que pueden ocasionar la pérdida de vidas humanas y daños a la propiedad (
Según
La respuesta hidrológica de una cuenca es generalmente estimada usando un modelo hidrológico con un dato de entrada que por lo general es la lluvia. Según
Usualmente la comunidad investigadora distingue tres tipos de modelos hidrológicos, conceptuales, físicos-basados y caja negra (
El método de Número de Curva del NRCS (NC-SCS) es ampliamente utilizado en aplicaciones de ingeniería de drenaje urbano desde 1975 (K. N, 2021) (
Otro de los problemas comunes en la elaboración de un modelo de lluvia-escorrentía es el análisis del tiempo de concentración.
El estudio realizado por
A partir de los estudios e investigaciones realizadas en las últimas décadas y debido a la compleja situación de inundaciones que provoca la escorrentía, resultado de las intensas lluvias, de los ríos Bélico y Cubanicay en la ciudad de Santa Clara, Cuba este trabajo tiene como objetivos la obtención de los valores de caudal máximo de escurrimiento en varios puntos del cauce urbano de dichos ríos y comparar los resultados obtenidos con las aproximaciones empíricas iniciales obtenidas en
La cuenca urbana del río Bélico es predominantemente llana, típica de la zona hidrológica central de Cuba y ha sido seleccionada como cuenca experimental dada su cercanía a la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, su ubicación en la ciudad de Santa Clara y a la situación actual del drenaje deficiente debido a las incorrectas políticas urbanísticas de la ciudad que han provocado la disminución de los cauces de los afluentes y ríos principales. El punto de cierre de la cuenca se define en la Circunvalación Norte, hasta este lugar la cuenca posee dos ríos o afluentes principales, el Bélico y el Cubanicay que nacen en las cercanías de la Circunvalación Sur y atraviesan el centro urbano de sur a norte como se observa en la
Algunas de las características fundamentales de la cuenca con punto de cierre en Este: 604990 y N: 289575 de acuerdo al sistema de proyección NAD 27 Cuba Norte, del Sistema de Coordenadas Cónicas de Lambert, se presentan en la
A partir de la relevancia del factor Área de Aporte en la fórmula Racional; combinando la definición de microcuenca, de la cual es necesario tomar los parámetros fundamentales para la obtención de la lluvia de proyecto; además de la intervención del hombre con infraestructuras que cambian el curso del drenaje natural; surge el concepto de Área Hidrológica Urbana (AHU).
Macrocuenca o Cuenca Principal
S/U
Cuenca Sagua La Grande
Cuenca
S/U
Río Bélico
Subcuenca
S/U
Río Bélico
Área de Drenaje Total
km2
19,55
Longitud Total del Río
km
11,37
Cota máxima de la vaguada
m
205,1
Cota del punto de cierre
m
99,50
Pendiente del cauce principal
m/km
6,250
Tiempo de Concentración
min
120,0
Un Área Hidrológica Urbana es la adaptación del concepto de microcuenca en ambientes urbanos, se define como aquella área tributante a una vaguada principal cuyo vertimiento ocurre en el sistema fluvial primario de la cuenca o la subcuenca a la que pertenece. Se consideran AHU también a aquellas laderas de los sistemas fluviales sin presencia de vaguadas, ambas tipologías con una superficie superior a las 5 ha. La construcción del AHU tiene como premisas fundamentales que sus límites no dependen de los Consejos Populares ni de zonas específicas, su trazado se realiza a partir de la vaguada principal objeto de estudio y las obras lineales como carreteras, autopistas y redes ferroviarias con presencia de drenajes, pueden ser consideradas límites de sectores dentro de una propia AHU.
La
El método racional es el más común y es utilizado por ingenieros para la obtención de los gastos máximos de escurrimiento en una cuenca urbana (
El principio básico del método racional consiste en que el flujo máximo de escurrimiento ocurre cuando la duración de la lluvia se iguala al tiempo de concentración de la cuenca, el cual denota el tiempo que demora el flujo en moverse desde el punto más alejado de la cuenca al punto de cierre (
Donde Q es el caudal máximo de escurrimiento expresado en
El coeficiente C (y también el Número de Curva) se obtiene a partir de:
Mulvany (1853), citado en
Otros investigadores, a través de los años han destinado esfuerzos para construir un marco conceptual más sólido a los principios iniciales del método y para extender su uso a aplicaciones que inicialmente no fueron estudiadas. Ponce (1989) citado en
1. El valor de la intensidad de la lluvia es constante en el tiempo de duración y se distribuye de manera idéntica sobre toda el área de la cuenca.
2. El área de aporte es uniforme en toda la cuenca.
3. El flujo en conductos es constante (para el gasto máximo), la velocidad está en entera disposición al tiempo de concentración.
4. La impermeabilidad de la cuenca es constante durante toda la tormenta de diseño.
Algunos componentes de sistemas de manejo de aguas pluviales requieren no solo el pico del caudal máximo, sino además el hidrógrafo de escorrentía. Entre estos componentes se encuentran las lagunas de retención o rompe-picos que reciben la escorrentía superficial de una zona urbana determinada (
El modelo del Número de Curva del NRCS permite estimar el exceso de precipitación desde su desarrollo en los años 1950 (
Donde Q. es la profundidad de la escorrentía; P es la profundidad de la lluvia; y S es Máxima Retención Potencial.
Donde
El número de curva varía de acuerdo con el tipo de suelo y su uso por tanto en caso de cuencas urbanas se debe establecer las áreas residenciales, comerciales, industriales en cada cuenca o área hidrológica urbana (
A
Arena y grava profunda (h>1.50 m), muy permeable, con una alta tasa de infiltración, incluso cuando está saturada. Contenido de arcilla de hasta 10 %
B
Suelos arenosos, poco profundos (h<1.50 m) y permeables. Contenido de arcilla entre 10 % y 20 %
C
Suelo poco profundo con capas subterráneas que impiden el flujo de agua hacia abajo. Arcilla contenida entre 20 % y 30 %
D
Suelo con nivel freático alto, con capas de arcilla cerca de la superficie, o suelos poco profundos sobre capas impermeables. Contenido de arcilla por encima del 30 %
La estación meteorológica Yabú (Código 78343) se encuentra en la provincia de Villa Clara, Cuba, localizada en los 22º 26’ N y 79º 59’ W, a 116.44 m sobre el nivel medio del mar, con presencia de un relieve llano, a aproximadamente 7 km del centro de la ciudad de Santa Clara, su privilegiada posición en la misma permite tener un certero comportamiento de las variables climáticas que afectan el lugar
Donde:
• I: Intensidad de la precipitación media en mm/min (para 1 %=0.998, 5 %=0.809, 10 %=0.739)
• T: Período de retorno en años
• D: Duración de la tormenta en minutos (con la adopción del modelo racional y cumpliendo uno de sus principios D=120 min)
Las tormentas de diseño utilizadas en esta contribución se muestran en la
Tipo I
121.2
2
100
4.95
0.17-0.25
0.10
Tipo I
110.4
2
50
4.52
0.17-0.25
0.10
Tipo I
88.80
2
10
3.63
0.17-0.25
0.10
Tipo II
121.2
2
100
1.92
0.75-0.83
0.40
Tipo II
110.4
2
50
1.75
0.75-0.83
0.40
Tipo II
88.80
2
10
1.42
0.75-0.83
0.40
Tipo III
121.2
2
100
2.08
1.67-1.75
0.85
Tipo III
110.4
2
50
1.90
1.67-1.75
0.85
Tipo III
88.80
2
10
1.52
1.67-1.75
0.85
Las lluvias son distribuidas en el tiempo mediante la metodología de Huff (
A partir de los datos obtenidos del procesamiento geoespacial de la base de datos cartográfica, el uso del concepto de Área Hidrológica Urbana y el trazado de las mismas, se realiza la modelación hidrológica de la cuenca mediante el
El cálculo del tiempo de concentración de cada AHU se realiza por la formulación de la FAA
AHU-ZC.VB:01
Nacimiento del Bélico
423.26
1.5600
3 974.83
0.41
01:51:40
AHU-ZC.VC:01
Nacimiento del río Cubanicay
134.53
1.6100
2 701.30
0.46
01:32:33
AHU-ZC.VC:03
Sakenaff Zona Hospitalaria
130.12
5.6500
2 681.04
0.65
00:42:40
AHU-ZW.VB:08
Condado-Calle Real
128.95
1.2800
2 325.82
0.72
00:55:01
AHU-ZE.VB:05
Libertad-Guamajal
87.77
1.5000
1 603.24
0.55
01:02:43
AHU-ZW.VB:01
Lacteo
65.78
2.6700
1 386.07
0.42
00:59:31
AHU-ZC.VC:02
Escuela de Medicina
65.49
2.0900
1 657.52
0.50
01:02:18
AHU-ZE.VC:09
Taller de Locomotoras
62.47
1.0100
1 085.10
0.62
00:51:22
Tanto los coeficientes C de escurrimiento como el Número de Curva escogido para la cuenca se obtienen a partir del análisis de la superficie del terreno y utilizando las tablas y recomendaciones de la NC 1239-2018 y del Reporte Técnico 55 del SCS en correspondencia a un tipo de suelo C con un valor de impermeabilidad medio-alto debido a la presencia en la ciudad de afloraciones de roca serpentina impermeable, la
Zonas completamente urbanizadas con calles asfaltadas y sin presencia de vegetación
0.7-0.9
85-99
Importar imagen
Zonas urbanizadas con calles sin asfaltar y con presencia de vegetación
0.5-0.7
75-85
Importar imagen
Zonas no urbanizadas con presencia abundante de vegetación
0.3-0.5
60-75
Importar imagen
La modelación de los cauces principales, dígase los ríos Bélico y Cubanicay debe cumplir varias pautas que simplifiquen la complejidad del mismo, las características reales del cauce parten de una urbanización que ha reducido las secciones de inundación de los mismos a límites en algunos casos alarmantes, la presencia de sólidos y escombros devenidos de la indisciplina y la falta de control de las autoridades, la presencia de obras de cruce sobre los mismos, en muchos casos reducidas por la acumulación de sedimentos. Debido a la dificultad de poder representar todos los fenómenos que afectan el tránsito de la avenida en este modelo hidrológico y respondiendo también a un objetivo que es encontrar los gastos máximos e hidrogramas de avenida en varios puntos del cauce dentro de la ciudad para en próximas investigaciones profundizar en el tránsito de la misma sobre el cauce, los autores proponen:
1. La modelación se realizará para un período de 10 horas con la entrada de la lluvia de 2 horas de duración y con la lámina especificada.
2. Se considera al cauce con una geometría trapezoidal con una sección variable pero que siempre será capaz de transportar el pico de la avenida, esta suposición, aunque realmente no se cumple, permite conocer cuál sería el hidrograma de entrada a un tramo y su correspondiente tránsito sin considerar efectos de arrastre de sedimentos, acumulación en obras de cruce, taponamientos del cauce y otros fenómenos que deben ser investigados posteriormente.
3. El coeficiente de rugosidad n de Manning para todos los tramos será de 0.04, también es una simplificación no real, pero que permite concentrar el tránsito en un valor medio en todo el río.
4. Los resultados obtenidos de esta modelación no pueden ser utilizados hasta que no se hayan comprobado los efectos de todas las variables limitantes expuestas con anterioridad, sin embargo, si son la entrada a modelos de tránsito de avenidas como HEC-RAS o Iber.
Bajo estas suposiciones podemos considerar que los resultados obtenidos en esta investigación solo tienen en cuenta la morfología de las Áreas Hidrológicas y sus tiempos de respuesta, no así el caso del tránsito de la avenida a las cuales se le aplicará condiciones controladas que reduzcan la complejidad del problema y permitan obtener hidrogramas en distintos puntos para realizar modelaciones hidráulicas y de esta forma obtener realmente el comportamiento del sistema fluvial.
Para la simplificación de los resultados obtenidos la tabla 6 muestra los puntos de cierre que son analizados en esta contribución, destacar que algunos de ellos como el Puente de la Cruz (PC-17) y la unión de los ríos Bélico y Cubanicay son lugares considerados como Puntos Críticos debido a las inundaciones recurrentes en la zona.
PC-22
Puente del río Bélico en Circunvalación Sur
606483.69
284833.69
Bélico
PC-03
Puente sobre la doble Vía del Hospital Nuevo
607778.65
285304.49
Cubanicay
PC-38
Puente de la Calle Marta Abreu
606077.47
286826.05
Bélico
PC-17
Puente de la Cruz
606955.03
287204.40
Cubanicay
PC-21
Unión de los ríos Bélico y Cubanicay
606353.29
287876.83
Bélico
PC-49
Puente Peatonal de la antigua Planta de Tratamiento
605876.76
288451.40
Bélico
PV
Punto de cierre de la Cuenca
604990.20
289575.35
Bélico
El PV o punto de cierre de la cuenca en general, se localiza a las afueras del perímetro urbano de la ciudad, la
El resultado del análisis de la
La
En el análisis hidrológico y las aplicaciones relevantes (por ejemplo, en la operación de alerta temprana de inundaciones), el tiempo de retardo juega un papel importante en el proceso hidrológico (
La
Kirpich-Pensylvania
37.98
Carter
52.52
Kerby-Hathaway
73.39
FAA
124.27
Kirpich-Tennesee
125.33
California
127.54
Cuerpo de Ingenieros
133.61
Chow
171.29
Bransby-Williams
218.85
SCS Lag
350.94
Utilizando los métodos de Hall (1984) citados en
t-lag 1
1.56
2.14
2.58
1.60
2.16
2.61
1.67
2.23
2.66
t-lag 4
1.43
1.43
1.09
1.47
1.45
1.11
1.55
1.52
1.17
t-lag 5
1.25
1.85
2.40
1.26
1.93
2.41
1.35
1.94
2.50
t-lag 6
1.08
1.51
1.75
1.10
1.37
1.50
1.10
1.59
1.67
t-lag 7
1.12
1.13
0.91
1.13
1.22
0.92
1.22
1.22
1.00
Los tiempos de la
A partir de los resultados obtenidos en el análisis de la modelación hidrológica en la cuenca los autores arriban a las siguientes conclusiones.
· Las lluvias utilizadas son representativas de toda la cuenca de 20 km. aproximadamente, lo cual, aunque es una hipótesis conservadora, permite obtener un valor de escurrimiento crítico para la probabilidad deseada.
· Se obtuvieron los valores de gasto máximo de escurrimiento para los distintos puntos de control, distintos tipos de lluvia y diferentes probabilidades, dando como resultado que la lluvia de Tipo III es que más gasto pico provoca.
· Una comparación de los tiempos de concentración sin considerar el tránsito interrumpido de la avenida por obras antropogénicas, da como resultado que los valores oscilen entre la 1 h y 3 h correspondientes con los resultados obtenidos en otras contribuciones.
· El gasto máximo e hidrogramas de diseño obtenidos en este trabajo no pueden ser usados para la elaboración de planos de inundación sin antes transitarlos por el río.