Guia Para El Manejo de Rios Lwres

i Gregory L. Morris y Departamento de Recursos Naturales y Ambientales

Preparado por: Gregory L. Morris, P.E., Ph.DJuan Portalatn, P.E.Rebecca de Jess, BilogaMarielys Ramos, BSCETayra Toledo

Documento preparado bajo contrato entre la Divisin de Monitoreo del Plan de Aguas del DRNA y Gregory L. Morris Engineering, San Juan.

iii

Prefacio v

Abreviaciones vi

Captulo 1. Introduccin 1.1

Propsito 1.1

Necesidad 1.1

Organizacin 1.2

Captulo 2. La Cuenca 2.1

Concepto de la cuenca 2.2

Ciclo hidrolgico 2.3

Geologa 2.4

Captulo 3. Geomorfologa Fluvial 3.1

Componentes de un ro 3.2

Cauce y planicie 3.3

Atrincheramiento 3.4

Meandros y sinuosidad 3.7

Meandros, charcas y rpidos 3.8

Migracin de ros 3.9

Estabilidad de ro 3.12

Balance Lane 3.14

Clasificacin de ro 3.15

Captulo 4. Hidrologa 4.1

Balance de agua 4.2

La lluvia 4.3

Evaporacin y evapotranspiracin 4.6

Hidrogramas 4.7

Infiltracin y escorrenta 4.8

Anlisis de duracin 4.10

Criterios de diseo 4.12

Balance entre ro y acufero 4.13

Medicin de flujo 4.14

Crecidas mximas 4.16

Variabilidad de flujo 4.18

Flujos mnimos 4.19

Rendimiento seguro 4.20

Captulo 5. Transporte de sedimento 5.1

Erosin 5.2

Rendimiento de sedimentos 5.4

Caractersticas de los sedimentos 5.5

Coraza 5.8

Velocidad de asentamiento 5.9

Muestreo del lecho del ro 5.10

Movimiento Inicial de sedimentos 5.12

Variabilidad en tasa de transporte 5.14

Captulo 6. Caractersticas biolgicas 6.1

Cadenas alimentarias 6.2

Organismos acuticos 6.5

Tabla de Contenido

iv

Captulo 7. Calidad de agua 7.1

Concepto de contaminantes 7.2

Sedimentos en suspensin 7.3

Captulo 8. Aspectos legales y reglamentarios 8.1

Definicin de ro y quebrada 8.2

Acciones de Proteccin bajo el Plan de Agua 8.3

Ley Nm. 49 del 3 de enero de 2003 8.4

Reglamento Nm. 13 de la Junta de Planificacin 8.6

Permisos del Cuerpo de Ingenieros 8.8

Captulo 9. Alternativas de manejo 9.1

Limpieza de ro 9.2

Extraccin de arena y grava 9.3

Proteccin de riberas 9.7

Enfoque de manejo de las inundaciones 9.12

Canalizaciones 9.14

Puentes 9.18

Atarjeas 9.20

Represas 9.22

Tomas 9.24

Proteccin de la zona de cauce mayor 9.25

Captulo 10. Casos estudiados 10.1

Ro Inabn 10.2

Ro Sabana 10.4

Ro Mameyes 10.6

Referencias R.1

vEsta gua est orientada a mejorar el manejo de los recursos de agua de Puerto Rico. Los ros y quebradas son una parte nica de nuestro pai-saje y merecen un cuidado especial. El enfoque de la gua esta orientado hacia el desarrollo so-cioeconmico y la proteccin ambiental puedan ser compatibles y sostenibles, siempre y cuando se diseen y manejen las obras con sabidura y entendimiento.

Los cuerpos de agua, junto con su ambiente ribereo, son las zonas de mayor riqueza ecol-gica en la Isla. Adems, stos son tanto reas de hbitat y corredores de migracin de espe-cies nativas acuticas. Los ros y sus embalses suplen aproximadamente el 80% del agua pota-ble en Puerto Rico (el resto se suple por pozos)

y por consiguiente, mantener su calidad e inte-gridad es esencial a la salud humana. Los ros y embalses son nuestras fuentes de agua y todo lo que hacemos en ellos eventualmente se refle-ja en el agua que consumimos.

Los ros tambin pueden representar riesgos a la sociedad cuando se construye en zonas inun-dables o en zonas expuestas a procesos natura-les de erosin de ribera. Muchas de las activi-dades humanas aumentan estos riesgos por el manejo inadecuado del ro y por invadir las zo-nas de alto riesgo sin tomar las debidas precau-ciones.

Pese a su importancia, encontramos que en Puerto Rico no se maneja el entorno fluvial y

sus riberas de una forma adecuada, haciendo mucho dao a su ecologa, restando su utilidad a la sociedad y causando daos a nuestra infra-estructura por estar mal ubicada o mal disea-da. Una barrera migratoria en un punto puede eliminar las especies nativas en toda la cuenca aguas arriba. Estos problemas, en su mayora, son el resultado de la falta de conocimiento y concientizacin.

Esta Gua para el Manejo de Ros ha sido pre-parada con el propsito de mejorar el entendi-miento de los aspectos hidrolgicos, morfolgi-cos y ecolgicos de los ros. Un mejor entendi-miento de este recurso resultar en un manejo ms consciente para el bienestar socioeconmi-co y ecolgico.

Prefacio

vi

Abreviaciones

Agencias:

AAA Autoridad de Acueductos y Alcan-tarillados

AEE Autoridad de Energa Elctrica

ASTM Sociedad Americana de Pruebas y Materiales

DRNA Departamento de Recursos Natu-rales y Ambientales

EE.UU. Estados Unidos

EPA Agencia de Proteccin Ambiental

FEMA Agencia Federal para el Manejo de Emergencias

FWS Servicio de Pesca y Vida Silvestre

JCA Junta de Calidad Ambiental

JP Junta de Planificacin de Puerto Rico

NFIP Programa Nacional de Seguros Contra Inundaciones

NRCS Servicio de Conservacin de Re-cursos Naturales

NOAA Administracin Nacional Oceni-ca y Atmosfrica

USACE Cuerpo de Ingenieros de los esta-dos Unidos

USGS Servicio Geolgico de los Estados Unidos

SHPO Oficina Estatal de Conservacin Histrica (State Historic Preserva-tion Office)

Unidades:

C Grados Celsius

cm Centmetros

d Da

hr Horas

kg Kilogramos

km Kilmetros

km2 Kilmetros cuadrados

l Litros

m Metros

m2 Metros cuadrados

m3 Metros cbicos

mg Miligramos

mgd Millones de galn por da

mi Millas

mi2 Millas cuadradas

min Minutos

mm Milmetros

N Newtons

pcs Pies cbicos por segundo

ppm Partculas por milln

pulgs Pulgadas

s Segundos

s2 Segundos al cuadrado

t Toneladas (1,000 kg)

m Micrmetro

s Microsiemens

Variables:

A rea de cuenca

BOD5 Demanda bioqumica de oxgeno

d Dimetro de partcula

vii

D Profundidad del agua

EP Evaporacin de plato

ET Evapotranspiracin

F* Valor crtico del coeficiente Shields

IR Intervalo de recurrencia

KP Coeficiente de plato

LC Longitud del canal

LV Longitud del valle

P Precipitacin

PET Evapotranspiracin potencial

PMP Precipitacin mxima probable

PO Probabilidad de ocurrencia

Q Flujo

Q90 Caudal excedido el 90% del tiempo




Qm Caudal promedio

R Precipitacin anual promedio

Rh Radio hidrulico

S Sinuosidad

s Pendiente

Ser Sedimento erosionado

Sexp Sedimento exportado

sR Pendiente del ro

sV Pendiente del valle

t Tiempo

TDS Total de slidos disueltos

S Almacenaje del acufero

Velocidad de asentamiento

s Densidad de los sedimentos

w Densidad del agua

Viscosidad dinmica

0 Fuerza que ejerce el agua sobre el lecho del ro

Peso especfico del agua

s Peso especfico del sedimento

1.1

Gua Para el Manejo de Ros

PropsitoEl propsito de esta gua es proveer informacin fundamental sobre las caractersticas de los ros de Puerto Rico, con el fin de mejorar su aprove-chamiento, para sostener sus funciones ambien-tales y minimizar los riesgos a viviendas e infra-estructura. El objetivo es mejorar las interven-ciones de la sociedad en los sistemas fluviales para lograr un futuro sustentable.

Nuestros patrones de manejo del ambiente influ-yen, no slo en nuestras vidas, sino tambin en la de futuras generaciones. Es necesario apli-car sabidura, para lograr alcanzar un desarrollo socio-econmico sin perder los recursos y valo-res ambientales.

A pesar de que esta gua se refiere a ros, se debe tener en cuenta que los conceptos son igualmente aplicables a quebradas. De hecho, no existe una regla estndar para aplicar la no-menclatura de ro o quebrada a un cuerpo fluvial y muchos de los ros en Puerto Rico seran denominados como quebrada si stos estuvieran localizados en el Amazona, por ejem-plo. Hablamos de los ros como un sistema flu-vial y los mismos principios de hidrologa, hi-drulica y morfologa son aplicables a ambos.

En Puerto Rico, la diferencia principal corres-ponde a su trato bajo ley y reglamento, segn se discute en el Captulo 8.

NecesidadEsta gua surge de la necesidad de atender las consecuencias de las intervenciones adversas que han acontecido hasta el momento en los ros de Puerto Rico. Ejemplos de estas conse-

cuencias incluyen daos a vivienda e infraes-tructura (Ilustracin 1.1), prdida de hbitat para organismos acuticos (Ilustracin 1.2), obras de control de inundacin que tienen altos costos de mantenimiento y construccin de to-mas que son ambientalmente dainas y tienen problemas de sedimentacin. Estas consecuen-cias adversas se pueden evitar adoptando es-trategias adecuadas para el manejo de ros.

Captulo 1

Introduccin

Ilustracin 1.1: Daos causados a viviendas por migracin de meandro en Ro Turabo, Caguas.

Ilustracin 1.2: Canalizacin Ro Portugus, Ponce, prdida de hbitat y barrera migratoria.

1.2

OrganizacinSe ha organizado esta gua de la siguiente ma-nera:

La cuenca

La primera seccin explica el concepto de la cuenca hidrogrfica y su relacin al ro e incluye algunas de las caractersticas geolgicas impor-tantes para determinar las caractersticas de los ros.

Geomorfologa Fluvial

El agua representa la mayor fuerza natural res-ponsable de la modificacin de la superficie de la tierra. Esta erosiona las montaas y crea depsitos de sedimentos.

Es necesario entender el rol de los ros dentro de los procesos geolgicos para poder manejar-los de una manera sabia. El manejo de los sis-temas fluviales de forma contraria a los proce-sos naturales y a las fuerzas geomorfolgicas genera muchos problemas y altos costos de mantenimiento. La vida acutica tambin de-pende de la configuracin geomorfolgica natu-ral del ro para sostener sus migraciones y sus ciclos de vida. En esta seccin se presenta la configuracin y las caractersticas fsicas (morfolgicas) de los ros de Puerto Rico.

Hidrologa

Los ros conducen flujos de escorrenta pluvial, adems de la fraccin del drenaje de los acufe-ros que mantiene el flujo base en los cauces. La magnitud y variabilidad de estos flujos, en combinacin con el entorno geolgico, son res-ponsables de establecer las caractersticas fsi-cas (morfolgicas) de cada tramo de ro y los lmites de sus inundaciones.

Conocer los flujos mnimos es importante ya que los ros principales de Puerto Rico son aprovechados para el suministro de agua a la sociedad. El anlisis de flujos mnimos es nece-sario para poder predecir cunta agua se puede suplir durante una sequa.

Sedimentacin

El agua es el principal agente que erosiona la tierra. Una de las funciones principales de los ros en el ciclo geolgico es el transporte del material erosionado hacia la costa. Es necesa-rio entender los procesos de transporte del ma-terial geolgico para lograr patrones sustenta-bles de aprovechamiento, particularmente en relacin al diseo y manejo de los embalses cuya utilidad se limita por su tendencia a atrapar estos sedimentos.

Caractersticas Biolgicas

Las especies nativas cada da enfrentan una mayor dificultad para subsistir frente a los cam-bios hechos por el ser humano. Muchos de los daos causados por los humanos pueden ser evitados con medidas adecuadas de diseo y manejo. Esta seccin discute las caractersticas

ecolgicas y los daos ocasionados por diver-sas actividades humanas.

Calidad del Agua

En esta seccin se discuten brevemente los mltiples aspectos de la calidad del agua y su impacto sobre los organismos que dependen del agua.

Aspectos Legales y Reglamentarios

La seccin de aspectos legales presenta varias definiciones legales y reglamentarias relevantes al manejo de los ros que son discutidas en trminos de las caractersticas y los procesos naturales.

Estrategias de Manejo

Esta seccin examina las acciones de manejo que tpicamente afectan a los ros y presenta alternativas que son ms sustentables en trmi-nos de minimizar las consecuencias adversas al ambiente y a la sociedad.

Casos Estudiados

La ltima seccin presenta el estudio de algu-nos casos sobre problemas en el manejo de ros.

Captulo 1. Introduccin

2.1


Captulo 2

La cuenca

Las caractersticas de un ro se definen principalmente por los aspectos fi-siogrficos y climatolgicos de la cuenca. Los factores importantes a consi-derar en las cuencas incluyen su tamao, la pendiente, precipitacin, geo-loga y uso de terrenos. El entendimiento y el manejo efectivo de los ros dependen en gran medida de la comprensin de las cuencas y de sus ca-ractersticas.

Introduccin Contenido1. Concepto de la cuenca

2. El ciclo hidrolgico

3. Geologa

2.2

La cuenca hidrogrfica consiste detodos los terrenos que drenan a un punto de inters. La topografa del terreno define los lmites de la cuenca. Los topes de las montaas son el punto divisorio entre los terrenos que drenan hacia la cuenca de inters y los terrenos que corresponden a las cuencas adyacentes. La Ilustracin 2.1 muestra un ejemplo del lmite de una cuenca hidrogrfica.

Las caractersticas de la cuenca son responsables de determinar el volu-

men y la calidad del agua en el ro, as como tambin la cantidad y las carac-tersticas de los sedimentos transpor-tados. Por ejemplo, la cuenca tributa-ria al embalse Carrazo incluye la ciu-dad de Caguas, y por consiguiente, las actividades en Caguas y sus alre-dedores influyen en la calidad del agua en ese embalse.

Se puede definir una cuenca con refe-rencia a cualquier punto en el ro y segn se recorre a lo largo del ro en direccin aguas abajo, el rea de

cuenca aumenta. El rea total de la cuenca de una quebrada o ro incluye todos los terrenos aguas arriba de su punto de desembocadura. En el caso de un ro que es tributario a otro ro, la cuenca del ro menor se define par-tiendo del punto de su desembocadu-ra en el ro principal, mientras que la cuenca del ro principal consiste de su propia cuenca ms las cuencas de todos sus tributarios.

Lmite de Cuenca

Punto de inters

Direccin de flujo

Ilustracin 2.1: Lmites de cuenca.

Concepto de la cuenca

Captulo 2: La cuenca

El volumen y la calidad del agua en el ro estn directamente relacionados a las ca-ractersticas fisiogrfi-cas y climatolgicas de la cuenca.

2.3


El ciclo hidrolgico es un proceso con-tinuo que representa el movimiento del agua. El agua sube a la atmsfera al evaporarse de la superficie de dife-rentes cuerpos de agua, principalmen-te los ocanos, y por la evaporacin y transpiracin de las plantas (evapo-transpiracin). El vapor sube a la atmsfera, donde al reducir su tempe-ratura se condensa para crear nubes. Luego el agua se precipita en forma de lluvia, nieve o granizo, cae a la superficie de la tierra y es dirigida

hacia los ocanos por la escorrenta e infiltracin. De esta manera se com-pleta el ciclo.

Se puede construir un balance de agua representando cada componen-te de este ciclo en diferentes escalas, desde una cuenca pequea hasta una escala mundial. Los volmenes de agua asociados con el ciclo del agua en Puerto Rico se muestran en la Ilus-tracin 2.2.

Los volmenes del flujo en cada com-ponente del ciclo de agua son muy variables y por consiguiente el balan-ce de agua solamente da una repre-sentacin general y descriptiva. Para analizar fenmenos como las inunda-ciones o la disponibilidad del agua para un uso en particular, es esencial estudiar los componentes con mucho mayor detalle utilizando datos registra-dos diarios o hasta de cada 15 minu-tos en el caso de las crecidas.

Ilustracin 2.2: Ciclo hidrolgico para un ao promedio en Puerto Rico.

Ciclo hidrolgico

El ciclo hidrolgico es el motor principal en el proceso de erosionar las rocas y desgastar las montaas. Los se-dimentos erosionados son transportados al mar a travs de los ros.

Los flujos en cada componente del ciclo s o n v a r i a b l e s (diariamente y anual-mente), especialmente la lluvia y escorrenta pluvial.

2.4

Para entender el comportamiento de los ros, es necesario entender algu-nos conceptos bsicos sobre las rocas de su lecho. Tanto los slidos disuel-tos como los sedimentos que trans-portan las aguas provienen del des-gaste de estas piedras por el agua.

La roca basltica

Hace aproximadamente 60 millones de aos (5 millones de aos despus de la extincin de los dinosaurios), la accin volcnica empez a levantar roca gnea del fondo del mar para dar comienzo a la formacin de lo que hoy da llamamos la Isla de Puerto Rico.

La roca que fue levantada del fondo del mar para formar las Antillas es el basalto, una roca oscura, pesada, y que contiene poco slice. A diferencia de las Antillas, los continentes estn formados principalmente de granito, una roca ms liviana que el basalto, menos oscura y de alto contenido de slice. La Ilustracin 2.3 muestra una comparacin entre granito y basalto.

De todos los minerales en la roca, el slice es el ms resistente a la disolu-cin con el agua. El desgaste de gra-nito deja como residuo una cantidad significativa de slice, por lo que el lecho de los ros y las playas continen-

tales consisten principalmente de cris-tales de slice, una arena blanca. En contraste, en Puerto Rico, el desgaste de las montaas baslticas produce principalmente arcillas y minerales oscuros ms susceptibles al desgaste qumico por el agua. Por lo tanto, el desgaste de la Cordillera Central no produce mucho material de tamao de arena.

La roca caliza

Parte de la Isla qued a poca profun-didad por debajo del mar durante mi-llones de aos, produciendo miles de pies de espesor en depsitos de cali-

Ilustracin 2.3: Comparacin de basalto y granito. En el granito es fcilmente visible la estructura cristalina, contrario al basalto.

Captulo 2. La cuenca

Geologa

Las arenas en muchas playas de Puerto Rico y en las dems islas caribeas no consisten de los minerales de las montaas, sino del carbonato de calcio que compone los cara-coles, arrecifes y algas coralinas.

El afloramiento de la roca basltica es muy comn en los ros de Puerto Rico. Los pun-tos de afloramiento crean controles estruc-turales que limitan la migracin vertical del lecho del ro.

2.5


za. Esto sucedi como consecuencia del crecimiento de corales, moluscos, ciertas especies de algas marinas, erizos, y otros tipos de vida marina que forman esqueletos de carbonato de calcio. Se conoce la edad de las formaciones debido a los diferentes fsiles de organismos marinos encon-trados. La seccin geolgica presen-tada en la Ilustracin 2.4 muestraque el espesor de las formaciones de caliza depositadas por encima de la roca gnea llega a ms de 5,500 pies en la costa norte (Renken, et al. 2000).

La caliza es la roca predominante a lo largo de la costa norte, al oeste de San Juan. La Ilustracin 2.5 presen-ta la afloracin de caliza en forma de mogote, tpicos de la costa norte. Una caracterstica de la roca caliza es que se disuelve con el agua de lluvia que se infiltra a travs del suelo, desgas-tando la piedra y a la vez formando cavidades, cavernas y sumideros. La generacin del dixido de carbono (CO2) por el proceso de respiracin de organismos dentro del suelo contribu-ye en acidificar el agua, de este modo acelerando la disolucin de la roca caliza.

Donde la escorrenta pluvial descarga directamente hacia un sumidero, las actividades en su cuenca influyen di-rectamente en la calidad de las aguas del acufero. El agua de los pozos se suple sin haber pasado por un proce-so de filtracin, su nico tratamiento es la aplicacin de cloro como desin-

fectante. Un estudio reciente (junio, 2009) muestra que hay sobre 200 sumideros en la costa norte que reci-ben la escorrenta superficial de aproximadamente 39.4 km2 de terre-nos urbanizados.

Los depsitos aluviales

Al desbordar sus aguas sobre el terre-no durante las crecidas, los ros depo-sitan sedimentos finos y de esta ma-nera crean su planicie inundable con suelos llanos y frtiles. La Ilustracin

Ilustracin 2.4: Seccin geolgica de la Costa Norte de Puerto Rico.

Ilustracin 2.5: Los mogotes son formaciones crsticas tpicas en el rea norte.

2.6

2.6 muestra la extensin de los de-psitos aluviales principales en Puerto Rico. Todos los ros cuentan con al-gunos depsitos aluviales a lo largo de sus riberas.

Durante el ltimo glacial mximo, hace unos 20,000 aos, el nivel del mar estaba a unos 130 metros (400 pies) por debajo del nivel actual debi-do a que una gran parte del volumen de agua del mar se encontraba atra-pada en los glaciales continentales, cuyo espesor alcanzaba ms de dos millas. La Ilustracin 2.7 muestra el incremento en el nivel del mar durante los pasados 20,000 aos. En aquel entonces, la Isla de Puerto Rico tena el doble de su tamao actual y se ex-tenda hasta la Isla Virgen Gorda (Ilustracin 2.8). Al derretirse esta masa de hielo, se elev el nivel de mar hasta llegar al nivel actual y los ros llenaron sus valles sumergidos

con los sedimentos que hoy da for-man las planicies aluviales y costeras.

Los suelos aluviales se originan princi-palmente del proceso de erosin de la Cordillera Central, donde predomina la roca basltica. En nuestro clima hmedo, el basalto experimenta un

cambio qumico por meteorizacin y produce mucha arcilla. La arcilla es erosionada del suelo y transportada por los ros para luego ser depositada sobre las planicies inundables durante las crecidas. La arcilla no es como la arena, que es simplemente un frag-mento de roca que antes fue ms

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

05101520

C

a

m

b

i

o

e

n

N

i

v

e

l

d

e

l

M

a

r

(

m

)

Miles de Aos Atrs

Nivel actual del mar

Ilustracin 2.6: Depsitos aluviales de Puerto Rico.

Captulo 2. La cuenca

Los depsitos aluviales de la costas de Puerto Rico son fuentes im-portantes de abasto de aguas utilizadas para fines municipales y agrcolas.

Ilustracin 2.7: Historial del nivel del mar durante los ltimos 20,000 aos.

2.7


grande, sino que es un compuesto mineral. Los granos individuales de arcilla son tan pequeos que apenas se sedimentan en el agua y las fuer-zas electroestticas entre las partcu-las son mayores que la fuerza de gra-vedad. Estas fuerzas electroestticas provocan que la arcilla sea pegajosa o cohesiva. La Ilustracin 2.9 mues-tra la cohesividad de la arcilla.

El contenido de arcilla es un factor importante para reducir la tasa de ero-sin del suelo en las riberas de los ros, ya que su cohesividad hace que sta sea resistente a la erosin. En la costa sur, donde el clima es ms se-co, el proceso de meteorizacin qumi-ca no es tan completo como los proce-sos de meteorizacin fsica. Esto re-sulta en suelos ms arenosos y, por lo tanto, las riberas de los ros en las planicies inundables son ms erosio-nables que los de la costa norte.

Puerto Rico

Saint Thomas

Vieques

Anegada

CulebraSaint John

Trtola

Virgen Gorda

Ilustracin 2.8: Extensin de Puerto Rico durante la era glacial (hace 20,000 aos).

Ilustracin 2.9: Cohesividad de la arcilla.

Los suelos en las pla-nicies inundables de la costa sur tienen menor contenido de arcilla en comparacin con las planicies inundables de la costa norte, por lo que el potencial de erosin de las riberas es mayor.

2.8

Pgina Intencionalmente en Blanco

3.1


Captulo 3

Geomorfologa fluvial

La geomorfologa es el estudio de los procesos que forman los patrones que observamos en la superficie de la tierra. La geomorfologa fluvial se enfoca particularmente en el comportamiento de los ros y es de mucha importancia para los bilogos e ingenieros, porque tanto el hbitat acutico como las obras de ingeniera estn influenciados por las interacciones entre las fuer-zas hidrulicas del ro y los materiales geolgicos.

Introduccin Contenido1. Componentes de un ro

2. Cauce y planicie inundable

3. Atrincheramiento

4. Meandros y sinuosidad

5. Meandros, charcas y rpidos

6. Migracin de ros

7. Estabilidad del ro

8. Balance Lane

9. Clasificacin de ros

Ro Culebrinas a la altura de la PR-110, Moca

3.2

La Ilustracin 3.1 muestra, de forma esquemtica, varios de los componen-tes tpicos de los ros, vistos desde una perspectiva en planta y seccional.

La corriente predominante en los ros se alterna de lado a lado, creando as curvas o meandros. En el exterior de cada meandro hay una charca pro-funda excavada y mantenida por la socavacin durante crecidas. El inte-rior de cada meandro corresponde a una zona de deposicin de sedimen-tos y la creacin de una barra de pun-ta.

Existen tambin otro tipo de barras, laterales y centrales. Las barras cen-trales son depsitos de sedimentos que forman pequeas islas y las ba-rras laterales se localizan en los extre-mos del cauce activo. El tramo ms recto entre cada meandro correspon-de a una zona de flujo menos profun-do e incluye zonas de rpidos caracte-rizados por velocidades altas y de poca profundidad.

Una lnea imaginaria que sigue el pun-to de mayor profundidad a lo largo del ro se llama el thalweg y se mueve regularmente de un lado al otro, si-guiendo los meandros. Al trazar el perfil del fondo del ro, se debe trazar el thalweg.

Ilustracin 3.1: Componentes de un ro.

Componentes de un ro

Captulo 3. Geomorfologa fluvial

La parte exterior de un meandro siempre se caracteriza por ser un rea profunda, contra-rio a la parte interior, que se caracteriza por ser un rea de deposi-cin de sedimentos.

CauceActivo

Planicie Inundable

Terraza Alta: Zona No Inundable

A

Barra de punta

A

Barra central

Seccin A-A

Barra lateral

Rpidos

Charca

Charca

Charca

Planta

Seccin

3.3


Los ros transportan un flujo altamente variable y, en Puerto Rico, el flujo mximo es tpicamente ms de mil veces mayor que el flujo mnimo. Por ejemplo, en el Ro Grande de Manat, a la altura de Ciales (estacin USGS 50035000), el flujo disminuy a 9 pcs durante la sequa de 1994 a 1995; mientras que, a consecuencia del huracn Hortense en septiembre de 1996, su flujo lleg a 128,000 pcs, equivalente a ms de 10,000 veces el flujo mnimo.

Para manejar esta variabilidad en el flujo, los ros han desarrollado una configuracin de cauce y planicie inundable (Ilustracin 3.2). Tanto el cauce como la planicie inundable son esenciales para el transporte del agua de escorrenta producida por la preci-pitacin de su cuenca.

El cauce corresponde al rea donde el flujo es suficiente para movilizar oca-sionalmente las arenas y las piedras

en su lecho y en las barras y as pre-venir el crecimiento de vegetacin permanente. El cauce es creado y mantenido por las fuerzas hidrulicas y el tamao de los cauces naturales tpicamente corresponde al caudal cuyo intervalo de recurrencia es de 1.5 aos. Esto se refiere al caudal cauce lleno que, en ros naturales, corresponde al punto en que el ro empieza a desbordar sobre su planicie inundable.

La planicie inundable recibe flujo infre-cuente, con velocidades y profundida-des bajas. Por lo tanto, puede mante-ner vegetacin terrestre permanente. Se puede conceptualizar la planicie inundable como una vlvula de esca-pe que permite que la energa hidru-lica de la crecida sea disipada me-diante el aumento del rea inundada. De lo contrario, esta energa quedara concentrada en el cauce, donde au-mentara la tasa de erosin del cauce y sus riberas.

En Puerto Rico, los ros han sido alta-mente intervenidos y su morfologa refleja, no la condicin de ros natura-les, sino de ros en proceso de ajuste en respuesta a los cambios hechos por la sociedad, tales como:

1. La remocin de arena y grava de su lecho por actividades de ex-traccin o por quedar atrapadas en embalses.

2. Cambios en la intensidad de las crecidas debido a canalizaciones aguas arriba, embalses o desarro-llos.

3. Cambios en la configuracin del cauce debido a canalizaciones y "limpiezas".

4. Prdida de la planicie inundable debido al relleno para el desarro-llo, que dirige los flujos hacia el cauce.

CanalPlanicie Inundable

Planicie Inundable

Ilustracin 3.2: Configuracin de canal y planicie inundable.

Cauce y planicie inundable

Los ros definen el ta-mao de su cauce me-diante la erosin y de-posicin de sedimentos.

En los ros intervenidos, el cauce puede haberse ampliado o profundizado como consecuencia de acciones humanas. En estos casos, el caudal de desborde ya no co-rresponde al evento de 1.5 aos.

Los ros tienen dos ele-mentos, cauce y planicie inundable.

3.4

El proceso de atrincheramiento se refiere a la reduccin en el nivel del lecho de un ro, ya sea por el proceso de erosin o por la extraccin del ma-terial del lecho. Casi todos los ros en Puerto Rico estn afectados por el problema de atrincheramiento que ha sido ocasionado por actividades de extraccin de material, por proyectos de canalizacin, por embalses que atrapan sedimentos y por el aumento de las crecidas como consecuencia de la impermeabilizacin de los terrenos. El atrincheramiento en el ro principal tambin inicia el proceso de atrinche-ramiento en todos sus tributarios y de esta manera crea problemas en los tributarios que no han tenido interven-cin directa alguna.

El proceso y los efectos de atrinchera-miento son fcilmente visibles en puentes, donde quedan expuestos los cabezales de las pilastras o los estri-bos, segn se muestra en la Ilustra-cin 3.3. En la Ilustracin 3.4 se puede apreciar la exposicin de pilas-tras que nos indica que este tramo de ro est siendo afectado por el proce-so de atrincheramiento.

El atrincheramiento puede ser mane-jado localmente por controles estruc-turales. El afloramiento de roca en el fondo del ro es un control natural, mientras que obras estructurales co-mo represas, puentes vados, tabla-

Ilustracin 3.3: Indicador de atrincheramiento.

Atrincheramiento

Ilustracin 3.4: Pilastras expuestas del puente de la PR-22 en Bayamn.


Las extracciones de material del lecho de un ro promueven atrin-cheramiento y socava-cin, afectando directa-mente las estructuras a lo largo del ro.

El mayor grado de so-cavacin en las pilas-tras de los puentes ocurre durante creci-das. La zona socava-da durante el caudal mximo puede relle-narse con material segn va disminuyen-do el flujo.

3.5


estacados u otras estructuras pueden ejercer un control artificial (Ilustracin 3.5). Este efecto puede ocurrir an en estructuras no diseadas con este propsito, como los puentes vados (Ilustracin 3.6). Al remover tales estructuras para remplazarlas con un puente convencional, se remueve el control artificial y el proceso de atrin-cheramiento avanza aguas arriba rpi-damente por el proceso llamado "head cutting" o erosin retrogresiva.

En la condicin natural, el ro empieza a desbordar y a dispersar su energa hidrulica sobre su planicie inundable cuando se excede el caudal del even-to de aproximadamente 1.5 aos de recurrencia. Sin embargo, el proceso de atrincheramiento aumenta la capa-cidad hidrulica del cauce, atrapando la energa de la crecida y, por consi-guiente, aumentando las fuerzas ero-sivas dentro del cauce. Esto provoca que el ro se atrinchere an ms.

Las riberas de un ro atrincherado se caracterizan por taludes altos e inesta-bles. El atrincheramiento es un proce-so de desestabilizacin del ro que resulta en daos a la propiedad priva-da y pblica. Esta situacin requiere acciones remediativas costosas y en muchas ocasiones las correcciones son poco efectivas y ambientalmente dainas.

La evolucin geomorfolgica del ro lo lleva hacia una condicin de estabili-dad. La respuesta de un ro a un pro-ceso de atrincheramiento es de re-establecer su forma natural, pero con un nivel base ms bajo. Esto ocurre mediante la erosin de las riberas pa-ra ganar el ancho necesario y as es-tablecer su patrn de cauce y planicie inundable nuevamente. Este proceso se muestra en la Ilustracin 3.7.

Ilustracin 3.5: Control artificial para prevenir atrincheramiento.

Ilustracin 3.6: Puente vado de la carretera PR-3 en Sali-nas, mostrando proceso de atrincheramiento aguas abajo.

Ilustracin 3.7: Evolucin de atrincheramiento.

El atrincheramiento ex-cesivo en el ro propi-cia el fallo de las es-tructuras cuando stas no se disean para esa condicin.

LechoAtrincherado

Lecho Original

Degradacin del lecho del ro.

3.6


En la Ilustracin 3.8 se muestra la evolucin de un ro atrincherado en Colorado. En la foto se puede apre-

ciar la antigua planicie inundable y la creacin de un nuevo cauce con su planicie inundable.

Ilustracin 3.8: Evolucin de un ro atrincherado en Colorado.

Antigua PlanicieInundable

NuevaPlanicieInundable

3.7


Los ros naturales nunca fluyen en lnea recta, a menos que su curso est confinado por controles estructu-rales, geolgicos o humanos. An dentro de canalizaciones, los ros in-tentan restablecer su patrn mendri-co.

El interior del meandro de un ro gene-ralmente contiene una barra de punta expuesta al aire durante flujos bajos. Esta barra es un lugar de deposicin de sedimento, mientras que el exterior de cada curva coincide con la zona de mayor fuerza hidrulica. Esto resulta

en la socavacin y erosin de la ribe-ra.

En la zona de cabecera con alta pen-diente, la configuracin es ms bien una serie escalonada de charcos y saltos. En zonas llanas de poca pen-diente, especialmente segn el ro se acerca al mar, el patrn mendrico es ms pronunciado, el ro se profundiza y las barras expuestas pueden desa-parecer debido a la profundidad del agua.

La sinuosidad es una medida del gra-do del desarrollo de meandros, y re-presenta la razn entre la distancia a lo largo del valle (LV) y la distancia a lo largo de un ro (LR). La sinuosidad tambin se puede calcular utilizando la razn de la pendiente del ro (sR) y del valle (sV):

S = LR = sR LV sV

La sinuosidad aumenta segn dismi-nuye la pendiente, siendo menos en las montaas y mayor en la costa. La Ilustracin 3.9 muestra una represen-tacin grfica de la definicin de si-nuosidad.

Ilustracin 3.9: Sinuosidad.

Meandros y sinuosidad

S = 1

S = 1.2

S = 1.5

S = 2.5

Longitud del Canal (Lc)

Longitud del Valle (Lv)

Sinuosidad = LCLV

Planicie Inundable

R

e

c

t

o

(

S

=

1

)

S

i

n

u

o

s

o

(

1

1

.

5

)

3.8

El diagrama en la Ilustracin 3.10muestra patrones tpicos de flujo que se desarrollan en los ros asociados con sus meandros. Cada curva des-va el flujo y establece una corriente helicoidal que tiene el patrn presen-tado en la seccin transversal A-A de la Ilustracin 3.10, en combinacin con el flujo en direccin aguas abajo. Este patrn de flujo causa la socava-cin al pie del talud, creando as char-cas profundas, erosionando el exterior del meandro y ocasionando su migra-cin lateral. En contraste, el interior de la curva es una zona de deposicin de sedimento, caracterizada por me-nor velocidad del flujo y la formacin de una barra de punta.

Entre cada curva existe una seccin llana donde el thalweg del ro cruza de un lado al otro. Este tramo gene-ralmente no recibe mucha fuerza hi-drulica en las riberas y es ms esta-ble que las zonas de curvatura.

Ilustracin 3.10: Seccin de un meandro sealando proceso de socavacin y de colapso de la ribera y relleno de la barra de punta.

Meandros, charcas y rpidos


La fuerza hidrulica se concentra en el exterior de los meandros cau-sando socavacin y pro-moviendo la migracin lateral del mismo.

Seccin B-B

Socavacin y migracin de meandro

B

Thalwegdel Ro

A

Barra de punta:deposicin

B

A

Seccin A-A

Vista de Planta

Zona de Mayor Socavacin

3.9


El trmino ro aluvial se refiere a un ro que corre sobre materiales no con-solidados que pueden ser erosiona-dos y re-depositados por la accin hidrulica. El patrn del ro, su sinuo-sidad y su seccin transversal, son determinados por la interaccin del ro con su lecho movible. Los ros aluvia-les son dinmicos y se mueven late-ralmente.

En Puerto Rico hay una gran carga de sedimentos en suspensin y los meandros abandonados se llenan con sedimentos y vegetacin en un perio-do de slo dcadas. Sin embargo, en otras reas del mundo, estos lagos

pueden permanecer durante siglos. La foto area en la Ilustracin 3.11muestra parte del cauce abandonado del Ro Grande de Manat.

En la Ilustracin 3.12 se muestra la migracin de un meandro del Ro Turabo que ha causado la prdida de varias casas de la Urbanizacin Villa del Rey (Ilustracin 3.13). En Puerto Rico existen muchos lugares donde han ocurrido, y ocurren al presente, daos a la propiedad como conse-cuencia de la migracin lateral de los ros (proceso natural) y la falta de pla-nificacin.

Ilustracin 3.12: Historial de la evolucin lateral de un meandro en Ro Turabo durante los ltimos 70 aos.

Leyenda1937 1962 2004

Ilustracin 3.13: Casas en Urbanizacin Villa del Rey destruidas por migracin de meandro en Ro Turabo.

Meandro Abandonado

Ilustracin 3.11: Meandro abandonado en Ro Grande de Manat.

Migracin de ros

3.10

El proceso de erosin de un meandro tpicamente ocurre por los dos proce-sos presentados en la Ilustracin 3.14:

1. La fuerza hidrulica del agua ero-siona el pie del talud.

2. La parte superior del talud se cae a consecuencia de una falla geo-tcnica, la Ilustracin 3.15 una zona de erosin activa.

Los meandros tienden a migrar en direccin aguas abajo debido a que la zona de mayor erosin se encuentra al final de la curva del meandro en direccin aguas abajo, segn se apre-cia en la Ilustracin 3.15.

Grietas

ColapsodeTalud

Ilustracin 3.14: Proceso tpico de erosin de meandro.

Ilustracin 3.15: Talud erosionado por migracin de meandro en Ro Canvanas.

El proceso de socava-cin del exterior de la curva puede hacer que el meandro crezca hasta que se corte, dejando abandonado el meandro viejo, el cual se convierte en lago.


3.11


Ilustracin 3.16: Reflexin de meandro en Ro Grande de Arecibo por una pared de roca.

La tasa de migracin lateral del cauce depende de la frecuencia de crecidas grandes y la resistencia de la ribera. La tasa de erosin se acelera por acti-vidades humanas, incluyendo la ex-traccin de materiales del lecho del ro (que aumenta la altura de la ribera), la urbanizacin de terrenos aguas arriba (que aumenta el caudal mximo, por lo tanto, la fuerza hidrulica, a la vez reduce la produccin de sedimentos cuando el proceso de urbanizacin se completa) y las canalizaciones (que aumentan el caudal al eliminar el al-macenaje sobre la planicie inundable).

El patrn mendrico de los ros aluvia-les se altera al encontrarse con una estructura fija, como una pared de roca natural (Ilustracin 3.16) o con estructuras hechas por el hombre. Cuando un meandro se encuentra con un control estructural en forma de pa-red, el ro tiende a seguir movindose a lo largo de la cara de la estructura fija, trasladando su punto de ataque en la direccin aguas abajo. Este proceso produce un modo de falla que se puede observar en obras de control de erosin de ribera. Se construye la obra de proteccin en el punto de ata-que, pero el ro sigue trasladando su meandro aguas abajo hasta que pasa la zona protegida y se erosiona la ri-bera aguas abajo. Por tal razn, es mejor emplear tcnicas de control enfocadas en manejar las fuerzas hidrulicas en el meandro, en vez de aplicar un parcho en un punto en par-ticular.

3.12

La estabilidad de un ro no implica que el ro no se mueve lateralmente dentro de su zona de meandro, sino que su seccin y su perfil son constantes. La Ilustracin 3.17 muestra el movimien-to lateral de un ro estable, donde su seccin transversal se mantiene cons-tante. La erosin en el exterior del meandro es compensada por el de-psito de sedimento en la barra de punta localizada en el interior del me-andro.

Muchas personas piensan que una canalizacin en hormign representa un ro estable, lo que es totalmente incorrecto. Las canalizaciones en hormign previenen la migracin late-ral del ro. Sin embargo, los canales creados por las canalizaciones son mayores que los cauces de 1.5 aos

A

c

t

u

a

l

9

a

o

s

6

a

o

s

3

a

o

s

O

r

i

g

i

n

a

l

Ilustracin 3.17: Migracin de meandro.

Ilustracin 3.18: Canalizacin inestable debido a la acumulacin de sedimentos, Ro Yagez, Mayagez.

Estabilidad del ro


Un ro estable es ca-paz de transportar la carga de sedimentos disponible bajo el rgi-men de flujo actual sin alterar su patrn de flujo, su seccin o perfil y sin que su lecho est sujeto a procesos de agradacin o atrinche-ramiento

3.13


de recurrencia que representa el ta-mao que el ro puede mantener lim-pio por los procesos naturales. Este incremento en la seccin transversal provoca una reduccin en la capaci-dad de transporte de sedimentos que resulta en la acumulacin de material a lo largo de la canalizacin. La Ilus-tracin 3.18 muestra un ejemplo de esta situacin. Debido a que las fuer-zas naturales no pueden mantener la seccin limpia, no es un cauce esta-ble.

Los ros tratan de restablecer su esta-bilidad dentro de las canalizaciones, definiendo su cauce y creando peque-as planicies inundables. La transi-cin en la seccin de una canalizacin con el tiempo se muestra en la Ilus-tracin 3.19. Debido a que no fueron diseadas bajo el concepto de una obra estable, las canalizaciones re-quieren de mantenimiento continuo para preservar su seccin transversal. Adems, los sedimentos atrapados en la canalizacin ya no llegan a los tra-

mos del ro aguas abajo, fomentando as el proceso de atrincheramiento y la aceleracin de la tasa de erosin en el cauce de las riberas aguas abajo de la canalizacin.

Para disear canalizaciones estables, es necesario incorporar los conoci-mientos actuales referentes al com-portamiento de ros y utilizar seccio-nes transversales cnsonas con el concepto del patrn de cauce y plani-cie inundable en los ros naturales.

Sedimentos depositados en

el canal.

Aumento en el nivel de inundacin.

Cauce dentro de la canalizacin.

Planicie inundable dentro de la canalizacin.

Ilustracin 3.19: Transicin de una canaizacin con el tiempo por la acumulacin.

Los ros canalizados no son estables ya que funcionan como tram-pas de sedimentos. La seccin transversal cambia con el tiempo haciendo el tramo ca-nalizado inestable y estableciendo la nece-sidad para manteni-miento perpetuo.

La ingeniera hidrulica puede disear canali-zaciones estables. Para esto se requiere un enfoque diferente al tradicional.

Canalizacin nueva

Canalizacin Nueva

Evolucin de Canalizacin

3.14

La tendencia de un ro a sufrir deses-tabilizacin como consecuencia de la agradacin o degradacin (atrinche-ramiento) de su lecho est controlada por cuatro variables principales: cau-dal, pendiente hidrulica, tamao y carga de sedimento grueso disponible en el ro. El efecto de estos factores en el ro se presenta de forma grfica en la Ilustracin 3.20, segn concep-tualizado por el Balance de La-ne (Lane, 1955).

Un aumento en la pendiente o en el flujo aumenta la energa hidrulica, lo

que aumenta el transporte de sedi-mento y la socavacin del fondo, pro-duciendo una tendencia de atrinchera-miento. Por el contrario, una reduc-cin de la pendiente o del flujo reduce la capacidad del ro para transportar sedimento y promueve la acumulacin de sedimentos en el lecho del ro.

De igual forma, al aumentar el volu-men o el tamao de sedimento entran-do al tramo de ro se promueve la ten-dencia a acumular sedimentos y subir el nivel del lecho, mientras que al re-ducir el volumen o tamao de sedi-

mentos entrando a un tramo, ocurre atrincheramiento.

Al analizar el balance, es necesario recordar que las crecidas son los cau-dales importantes para el transporte de sedimentos y que los sedimentos de importancia son los que correspon-den a la carga de arrastre. Los flujos bajos son insuficientes para movilizar el sedimento en el lecho del ro y los sedimentos finos son transportados sin interaccin significante con el le-cho.

Ilustracin 3.20: Balance de Lane.

Balance de Lane


Cambios en el manejo y los usos de la cuenca afectan directamente la geomorfologa del ro.

3.15


Existen varios sistemas de clasifica-cin de ros. En esta seccin se des-criben dos sistemas complementarios que son muy tiles y de uso comn y pueden utilizarse para ros en Puerto Rico. Los dos sistemas son el de orden de ro y el mtodo de clasifica-cin de Rosgen. En general, al pre-sentar estudios de ros o quebradas para la evaluacin del DNRA se debe indicar la clasificacin Rosgen para el tramo de estudio, tanto para trabajos de ingeniera como en estudios bio-lgicos. Esto permite un mejor enten-dimiento del sistema fluvial.

Orden de ro

El orden de ro es una manera de clasificar el ro, dependiendo de su ubicacin dentro de la red de drenaje. El mtodo le asigna el nmero uno al

tributario ms pequeo. La combina-cin de dos tributarios de orden uno crean un tributario de orden dos. De igual modo, la unin de dos tributarios de orden dos forman un tributario de orden tres. Esto sigue hasta llegar al mar, segn la Ilustracin 3.21. Sedebe utilizar el mapa topogrfico 1:20,000 del USGS para este propsi-to.

Clasificacin Rosgen

El sistema de clasificacin desarrolla-do por Rosgen (Rosgen, 1994 y Ros-gen, 1996) se basa en caractersticas geomrficas. El sistema toma en con-sideracin los siguientes factores:

xPendiente del valle.

xConfiguracin geomtrica del ro en planta (planform).

xTamao del material del lecho.

xGrado de atrincheramiento.

Este sistema de clasificacin ha gana-do aceptacin por varias razones, entre ellas:

xEl sistema es relativamente fcil de aplicar y no tiene un alto nivel de dependencia en la interpretacin de las caractersticas geomrficas, faci-litando su uso para una variedad de disciplinas, incluyendo bilogos e ingenieros.

xProvee un sistema para describir las caractersticas del ro o quebrada de forma consistente.

Clasificacin de ros

1

111

1

1

1

2

22

3

3

Ilustracin 3.21: Sistema de clasificacin por orden de ro.

3.16

xPuede predecir ciertos patrones de comportamiento de un ro en base a su clasificacin. El comportamiento de un ro se puede utilizar para pre-decir el comportamiento de otro ro cuando poseen la misma clasifica-cin.

El sistema Rosgen asigna una clasifi-cacin a base de letra y nmero, en donde el nmero se refiere al tamao de sedimento y la letra se refiere a las dems caractersticas. En la Ilustra-cin 3.22. Una versin ms detallada est disponible en formato PDF en el

sitio web: http://www.wildlandhydrology.com/assets/ARM_5-3.pdf

Los tamaos del material del lecho que corresponden a cada clase se presentan en la Tabla 3.1 y las carac-tersticas generales de las letras se presentan en la Tabla 3.2.

Las Ilustraciones 3.23, 3.24 y 3.25son fotos de ejemplos de ros en Puer-to Rico con su clasificacin Rosgen.

La informacin aqu presentada es una forma muy simplificada de pre-sentar el sistema de clasificacin Ros-gen con el propsito de proveer un idea de su aplicacin a los ros de Puerto Rico. Para utilizar este siste-ma de clasificacin se debe recurrir a referencias ms detalladas disponi-bles en el Internet. Ms informacin est accesible en los sitios web: http://www.epa.gov/watertrain/stream_class/ http://www.fgmorph.com/fg_4_25.php

Nmero Tamao del material del lecho

1 Roca slida (bedrock)

2 Bolos (boulders), dia > 256 mm

3 Pedruzcos (cobbles), 64-256 mm

4 Grava (gravel), 2 64 mm

5 Arena (sand), 0.062 2.0 mm

6 Limo y Arcilla (silt & clay), 10% 4-10% 2-4%

Area Susceptible a Inundacin(Flood Prone Area)Nivel a Cauce Lleno

3.17


Letra Pendientedel Valle Caractersticas

A >4% Tpicamente ros o quebradas de zona de cabecera.

B 2-4% Tpicamente, ros de valles altos con planicie inundable rela-tivamente estrecha.

C

3.18

Pgina Intencionalmente en Blanco

4.1


Captulo 4

Hidrologa

El trmino hidrologa se refiere al estudio de las propiedades, la distribu-cin y la circulacin del agua, incluyendo las aguas superficiales, subterr-neas y atmosfricas. Un aspecto importante desde el punto de vista del manejo del recurso es determinar el caudal mximo de las crecidas y el flujo mnimo disponible durante periodos secos.

Contenido Introduccin 1. Balance de agua 2. La lluvia 3. Evapotranspiracin 4. Hidrogramas 5. Infiltracin y escorrenta 6. Anlisis de duracin 7. Criterio de diseo 8. Balance entre ro y acufero

9. Medicin del flujo 10. Crecidas mximas 11. Variabilidad del flujo 12. Flujos mnimos 13. Rendimiento seguro

4.2

En Puerto Rico, a pesar de su peque-o tamao, hay una gran diversidad de condiciones hidrolgicas. La diver-sidad se aprecia al construir balances hidrolgicos (balances de agua) en diferentes cuencas de la Isla. Estos balances hidrolgicos incluyen precipi-tacin (P), evapotranspiracin (ET) y descarga (Q). Con estos parmetros se puede determinar el cambio en almacenaje del acufero (S) median-te la siguiente relacin:

S = P - ET - Q

La Tabla 4.1 muestra balances de agua para diferentes cuencas en el norte de la Isla.

En general, aproximadamente la mitad del agua de lluvia en Puerto Rico re-gresa a la atmsfera en forma de eva-potranspiracin. El restante se divide entre escorrenta superficial y recarga al acufero. En la zona caliza hay -reas sin escorrenta superficial y toda el agua no evaporada entra al acufe-ro.

Balance de agua

Captulo 4: Hidrologa

El balance de agua describe las condicio-nes promedio y no es representativo de la variabilidad en las con-diciones anuales.

Tabla 4.1: Balances de agua para cuencas en el norte de la Isla en pulgadas al ao (Giusti & Bennet, 1976).

U/S: aguas arriba D/S: aguas abajo

Ro (P) (ET) (Q) (S)

R

o

c

a

V

o

l

c

n

i

c

a

Ro Guajataca U/S 87 49 34 +4 Ro Camuy U/S 87 49 38 0 Ro Criminales U/S 87 49 44 -6 Ro Tanam U/S 88 49 36 +3 Ro Grande de Arecibo D/S Dos Bocas 93 47 43 +3 Ro Cialitos 91 48 38 +5 Ro Grande de Manat U/S 100 45 50 +5 Ro Inabn 88 49 47 -8 Ro Cibuco U/S 93 47 41 +5 Ro Mavilla 96 46 68 -18

C

a

l

i

z

a

Quebrada de los Cedros 68 46 1 +21 Ro Guajataca hasta Lago Guajataca 88 49 30 +9 Ro Guajataca D/S 80 48 22 +10 Ro Camuy D/S 83 49 33 +1 Ro Tanam D/S 82 49 22 +11 Ro Grande de Arecibo D/S 73 47 0.6 +25 Canal Sur 52 41 2 +9 Cao Tiburones 52 41 83 -72 Ro Grande de Manat D/S 73 47 34 -8 Laguna Tortuguero 68 46 20 +2 Ro Cibuco D/S 80 48 35 -3 Ro Lajas 82 48 43 -9

Embalse Guajataca

4.3


La combinacin de vientos alisios que traen consigo mucha humedad y el efecto orogrfico de las montaas provocan que las lluvias en las islas caribeas sean muy variables. En Puerto Rico, la lluvia promedio de 70 pulgadas anuales a nivel isla incluye variaciones desde 30 pulgadas al ao en Gunica, hasta 180 pulgadas al ao en la cima de El Yunque.

El patrn de lluvia en Puerto Rico es controlado, en gran medida, por las montaas que tienen elevaciones de hasta 3,350 pies de altura. El aire hmedo, al encontrarse con las mon-taas, sube, se enfra, se condensa la humedad y se precipita en forma de lluvia. Al bajar al otro lado de la cordi-llera el aire ya no est saturado con agua y, por lo tanto la costa sur recibe aproximadamente la mitad de la lluvia anual que recibe la costa norte (Ilustracin 4.1).

La variacin geogrfica en la lluvia se presenta utilizando un mapa de isoye-tas que presenta lneas de igual pro-fundidad de precipitacin (Ilustracin 4.1). Tambin se pueden preparar mapas de isoyetas para eventos parti-culares, como el mapa de la profundi-dad de lluvia asociada al huracn Ge-orges presentado en la Ilustracin 4.2.

La lluvia

Ilustracin 4.1: Precipitacin anual promedio en Puerto Rico (en pulgadas), preparado con datos de lluvia hasta el 2006.

Ilustracin 4.2: Mapa de lluvia asociada al Huracn Georges (en pulgadas), septiembre 22 de 1998, modifica-do del NOAA.

4.4

Variabilidad en la lluvia

Al calcular valores promedio de los parmetros hidrolgicos se presenta un panorama general. Sin embargo, para analizar los eventos de mayor preocupacin, como las crecidas, se-quas y flujos mnimos, es necesario cuantificar la alta variabilidad que exis-te en el entorno hidrolgico. Por ejemplo, al graficar la lluvia de Gurabo durante 50 aos (Ilustracin 4.3) se puede apreciar que la lluvia anual ha variado desde un 50% del promedio

en el ao 1967, hasta el 180% del promedio en el ao 1970. La varia-cin en el caudal de los ros es an ms marcada.

Las zonas hmedas de Puerto Rico reciben lluvia todos los meses del ao. Los meses ms secos son de enero a marzo. Durante este periodo los nive-les en los embalses bajan, este dficit de agua se satisface con las lluvias en abril y mayo. De no llegar lluvias sufi-cientes en abril y mayo, generalmente resulta en sequa y racionamiento del

agua durante el verano, hasta llegar los meses ms hmedos desde sep-tiembre hasta noviembre. Sin embar-go, en cualquier ao en particular, la lluvia puede tener variaciones marca-das del promedio.

Los datos de lluvia mensual de Gura-bo se muestran en la Ilustracin 4.4,comparando el promedio con los aos de lluvia mnima y mxima. Gurabo est localizado en la parte central de la cuenca del Ro Grande de Loza y es afluente al embalse Carrazo. La

Ilustracin 4.3: Variabilidad de lluvia anual en la estacin Gurabo, 1956-2006.


A pesar de que la cos-ta sur es ms seca que la costa norte, ambas pueden sufrir lluvias intensas de huracanes y sufrir las inundacio-nes correspondientes.

La variabilidad de lluvia entre el rea norte y sur de Puerto Rico es causada por el efecto de las montaas en los vientos alisios y el fenmeno de sombra de lluvia

0

20

40

60

80

100

120

140

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

D

e

s

c

a

r

g

a

(

p

c

s

)

Fecha(Ao)

SubestacinGurabo

L

l

u

v

i

a

(

p

u

l

g

s

)

Lluvia Promedio: 65 pulg

4.5


sequa de 1967 ha sido la ms severa que ha ocurrido en esa cuenca, no hubo agua suficiente para llenar el embalse Carrazo en todo el ao. Segn datos de escorrenta del USGS, la segunda sequa de mayor intensidad en la cuenca de Ro Loiza lo fue la de los aos 1994 y 1995. El

ao con mayor lluvia fue 1970 y co-rrespondi a una de las inundaciones ms fuertes que han afectado la cuen-ca del Ro Grande de Loza.

Debido a la variabilidad de la lluvia y a la importancia de los fenmenos resul-tantes de estas variaciones, como las

inundaciones y sequas, es muy im-portante analizar los eventos extremos como base esencial para el diseo de obras hidrulicas.

0

5

10

15

20

25

30

35

L

l

u

v

i

a

M

e

n

s

u

a

l

(

p

u

l

g

a

d

a

s

)

Fecha(Mes)

Lluviamnimamensual

Lluviapromediomensual

Lluviamximamensual

Lluviapromedio1desviacinestndar

Ilustracin 4.4: Lluvia mensual en la estacin de Gurabo (1956-2006), comparando la lluvia mensual promedio con los valores mximos y mnimos registrados por mes. Tambin seala la variabilidad en la lluvia mensual.

Los eventos extremos de precipitacin o se-qua se utilizan como base para el diseo de obras hidrulicas.

4.6

Parte del agua que cae a la tierra re-gresa a la atmsfera como evapora-cin en la superficie de vegetacin o suelo. El agua que penetra el suelo puede entrar a las races de las plan-tas y ser transportada hacia las hojas donde regresa a la atmsfera por el proceso de transpiracin. La suma de la evaporacin de la superficie del suelo y cuerpos de agua y la transpi-racin por la vegetacin se denomina "evapotranspiracin." En las reas de Puerto Rico con una cobertura densa de bosque, aproximadamente la mitad de la lluvia regresa a la atmsfera por evapotranspiracin.

La evaporacin de la superficie del agua se mide utilizando un tanque de evaporacin (Ilustracin 4.5). El patrn de cambio estacional en la evaporacin del tanque se presenta en la Ilustracin 4.6. La evaporacin del tanque es aproximadamente 20% mayor que en un cuerpo de agua, como lo es un lago o embalse, debido a la calefaccin del agua en el tanque y otros factores. La evaporacin de las superficies de las plantas puede exceder la evaporacin de tanque, ya que la superficie de las hojas puede ser cuatro veces el rea superficial del suelo, y puede capturar y evaporar agua de varios eventos de lluvia en un solo da. En Puerto Rico se evapo-transpira aproximadamente la mitad de la lluvia, el agua regresa a la at-

mosfera sin generar escorrenta plu-vial o recargar los acuferos.

La tasa de transpiracin potencial de las plantas sigue un patrn similar a la

evaporacin del tanque, pero la trans-piracin actual puede ser mucho me-nor que la potencial debido a la defi-ciencia de agua en el suelo.

Evaporacin y evapotranspiracin


La evapotranspiracin es la combinacin de la evaporacin del sue-lo la superficie de la vegetacin mas el agua transpirada por las plantas.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

enero00 julio00 enero01 julio01 enero02

E

v

a

p

o

r

a

c

i

n

D

i

a

r

i

a

(

p

u

l

g

a

d

a

s

)

Fecha(mesao)

Ilustracin 4.5: Tanque para medir la evaporacin del agua.

Ilustracin 4.6: Evaporacin de tanque, estacin de Isabela.

4.7


Un hidrograma es una grfica que representa la variacin del flujo en el tiempo. El hidrograma en la Ilustra-cin 4.7 muestra el flujo en el Ro Espritu Santo durante un periodo de 18 horas y seala un incremento en el flujo como respuesta a un evento de lluvia. En este punto, la cuenca tiene un rea de captacin de 8.6 mi2, inclu-yendo drenaje de la ladera este de El Yunque. Al examinar la grfica, se pueden apreciar las siguientes carac-tersticas tpicas de los hidrogramas de crecidas:

x El aumento rpido en el flujo, segn llega el agua de lluvia al

ro, referido frecuentemente como el golpe de agua.

x Hay una reduccin gradual en el flujo segn disminuye la contribu-cin de la escorrenta superficial, esto se denomina la recesin de la crecida.

La porcin de flujo que se mantiene en el ro luego de un evento de lluvia corresponde al flujo base. Este flujo es mantenido por el agua que drena del suelo y del acufero. Los periodos de sequa reducen el nivel de agua en el acufero y, de esta manera, produ-cen una disminucin en el flujo base del ro.

En las costas de Puerto Rico, las cre-cidas pueden ocurrir un par de horas ms tarde del pico del evento de llu-via. Esto se debe al tiempo que le toma al agua viajar desde la parte superior de la cuenca hasta la parte inferior.

Es comn calcular hidrogramas para diferentes usos de terrenos e intensi-dades de lluvia, stos se utilizan para determinar el impacto que tendra un cambio propuesto en el uso del terre-no sobre la magnitud de las crecidas resultantes as como tambin para el diseo de obras de ingeniera.

Hidrogramas

Los hidrogramas se utilizan para represen-tar grficamente la variabilidad en el flujo del agua con el tiempo.

Ilustracin 4.7: Hidrograma de la estacin del USGS Ro Espritu Santo (50063800).

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

6:00 12:00 18:00 0:00

D

e

s

c

a

r

g

a

(

p

c

s

)

Tiempo(hr)

4.8

La lluvia que llega al suelo se puede infiltrar o se puede escurrir sobre la superficie como escorrenta superfi-cial, hasta llegar a una quebrada, un ro y eventualmente al mar. El por-centaje de la lluvia que se convierte en escorrenta superficial es determi-nado por cuatro factores principales: (1) intensidad y duracin de la lluvia, (2) capacidad del suelo para infiltrar agua, (3) condicin de humedad ante-cedente y (4) uso del terreno.

x Intensidad y duracin de la lluvia.Segn aumenta la intensidad de lluvia, aumenta a su vez el por-centaje de lluvia que sobrepasa la capacidad del suelo para infiltrar agua, y por lo tanto, aumenta el volumen de la escorrenta superfi-cial.

x Tipo de suelo. La capacidad de los suelos de infiltrar agua es alta-mente variable (Tabla 4.2). Un suelo arenoso en la costa puede infiltrar ms de 20 pulgadas/hora y no genera escorrenta pluvial, an en las lluvias de mayor inten-sidad. Sin embargo, los suelos en Puerto Rico comnmente infil-tran menos de un par de pulgadas por hora.

Los tipos de suelo se agrupan en cua-tro categoras, de acuerdo a su poten-

cial de generar escorrenta y se clasifi-can como A, B, C y D. Los suelos en la categora A (suelos arenosos) tie-nen un bajo potencial de producir es-correnta debido a su alta tasa de infil-tracin. Por el contrario, los suelos en el grupo D tienen una baja tasa de infiltracin, por lo que su potencial de generar escorrenta es alto. La Tabla4.2 muestra la diferencia en tasas de infiltracin para los diferentes grupos de suelo hidrolgico.

x Condicin de humedad anteceden-te. La capacidad del suelo de infiltrar agua depende de la canti-dad de lluvia que haya cado ante-riormente, ya que, segn la lluvia satura el suelo, reduce la capaci-dad para almacenar el agua de la

lluvia siguiente. Se calcula el es-tado de la humedad antecedente utilizando la lluvia de 5 das pre-vios.

x Uso del terreno. El uso del terre-no tiene un impacto significativo sobre la escorrenta. Un suelo arenoso con un material imper-meable (estacionamiento, edificio, etc.) por encima no va tener capa-cidad de infiltrar agua. Adems, tambin surgen diferencias impor-tantes de acuerdo a la clase de vegetacin o actividad agrcola y el porcentaje de suelo con cober-tura vegetal.

El caudal de escorrenta y la magnitud de las crecidas aumentan a conse-


Infiltracin y escorrenta

Tabla 4.2: Tasas de infiltracin de algunos suelos en Puerto Rico.

Grupo hidrolgico Infiltracin (pulg/hora)

A 6-20

B 2-6

C 0.6-2

D 0.06-0.2

Grupo hidrolgico Infiltracin (pulg/hora)

A 6-20

B 2-6

C 0.6-2

D 0.06-0.2

La tasa de infiltracin de un suelo influye directamente en la cantidad de escorren-ta que se genera. Mientras mayor sea la tasa de infiltracin, menor ser la genera-cin de escorrenta.

4.9


cuencia de cambios en el uso del te-rreno, tales como deforestacin para uso agrcola o impermeabilizacin para uso urbano, siendo este ltimo el que produce incrementos ms seve-ros. La Ilustracin 4.8 muestra hidro-gramas de flujo para diversos usos del terreno, sealando los cambios que acompaan diferentes intervenciones humanas.

La impermeabilizacin de los terrenos para uso urbano produce un aumento en el caudal por dos procesos. Prime-ro, el cambio del uso del terreno a actividades urbana impermeabiliza parte de los suelos con hormign y asfalto, y las restantes reas verdes

son de suelos compactados con una capacidad de infiltracin muy limitada. Esto provoca un aumento en el volu-men de escorrenta. En adicin, los terrenos urbanizados eliminan las de-presiones en los terrenos que acumu-laban agua previo al desarrollo. Otro factor es el incremento en la velocidad de la escorrenta. Las superficies im-permeables tienen un coeficiente de rugosidad hidrulica mucho menor que los terrenos naturales y proveen una menor resistencia al movimiento del agua.

El resultado es que, en una cuenca de 50 cuerdas cuyo tamao es aproxima-do al de una urbanizacin de 250 ca-

sas, el cambio de bosque a desarrollo urbano puede aumentar el caudal de la escorrenta mxima en un 100%. Este aumento tiene consecuencias adversas aguas abajo incluyendo ma-yores inundaciones y mayor socava-cin de los cauces naturales. Otro impacto puede ser una disminucin en la recarga al acufero.

Los impactos adversos en los proce-sos hidrolgicos causados por los de-sarrollos se pueden minimizar o elimi-nar con diferentes sistemas de deten-cin y adoptando sistemas de manejo de drenaje en base a conceptos de desarrollo con bajo impacto.

0

100

200

300

400

500

600

11 11.25 11.5 11.75 12 12.25 12.5 12.75 13

F

l

u

j

o

(

p

c

s

)

Tiempo(hrs)

Bosque Natural:CN=70TL=24 min

Impermeabilizacin del terreno para uso urbano:

CN=95TL=9 min

Deforestacin parauso agrcola:

CN=80TL =18 min

TL 15 min

Q

=

2

3

0

p

c

s

Q

=

1

6

0

p

c

s

TL 9 min

Ilustracin 4.8: Modificacin de hidrograma por cambios en el uso del terreno en un rea de 50 cuer-das utilizando los mtodos presentados en el Reporte Tcnico Nm. 55 para estudios hidrolgicos.

La impermeabilizacin del terreno para uso urbano es la actividad que ms influye en el incremento del volu-men de escorrenta.

4.10

Para analizar eventos hidrolgicos extremos, se calcula la profundidad de lluvia o caudal del ro para diferentes duraciones de tiempo. Por ejemplo, cuatro pulgadas de lluvia no son tan significativas si ocurren en un perodo de 24 horas, pero si tal precipitacin ocurre en una sola hora sera una lluvia extremadamente intensa y pue-de ocasionar crecidas en cuencas de tamao mediano. Los datos de lluvia mxima que son necesarios para cal-

cular el caudal de las crecidas son obtenidos de la publicacin NOAA Atlas #14 (http://hdsc.nws.noaa.gov/hdsc/pfds/pr/pr_pfds.html).

La Tabla 4.3 ilustra datos de intensi-dad y duracin de lluvia para dos si-tios en Puerto Rico. La Ilustracin 4.9 compara datos de lluvias mximas registrados en Puerto Rico con las lluvias mximas en los Estados Uni-dos y en el mundo entero.

Probabilidad de ocurrencia

Sociedades en diferentes partes del mundo se adaptan a las condiciones normales de su entorno, pero los eventos extremos pueden ocasionar muchos daos y sufrimiento. La seve-ridad de un evento extremo se expre-sa por la probabilidad de ocurrir un evento de igual o mayor magnitud.


10

100

1,000

10,000

0.1 1 10 100

P

r

e

c

i

p

i

t

a

c

i

n

(

m

m

)

Duracin (hr)

Mxima probable en PR.

Mxima precipitacn

observada en EU.

Mxima precipitacin observada en el mundo.

Mxima precipitacin observada en PR.

Precipitacn mxima

observada en EU.

Precipitacin mximaobservada en el mundo.

Precipitacin mxima observada en PR.

Precipitacin mxima probable en PR.

Mxima probable en PR.

Mxima precipitacn

observada en EU.

Mxima precipitacin observada en el mundo.

Mxima precipitacin observada en PR.

Precipitacin mxima

observada en EU.

Precipitacin mximaobservada en el mundo.

Precipitacin mxima observada en PR.

Precipitacin mxima probable en PR.

P(mm) = 200 * T0.67

P(in) = 7.87 * T0.67

P(mm) = 361 * T0.51

P(in) = 14.21 * T0.51

P(mm) = 135 * T0.67

P(in) = 5.31 * T0.67

Ilustracin 4.9: Comparacin de profundidades de lluvia para diferentes duraciones en Puerto Rico, Estados Unidos y a nivel mundial.

Anlisis de duracin

4.11


Es comn expresar la probabilidad de ocurrencia en trminos de intervalo de recurrencia en aos. Por lo tanto, se entiende que un evento de 100 aos" es ms severo que un "evento de 10 aos." Este concepto se puede apli-car tanto a las inundaciones como a las sequas.

En realidad el clculo de recurrencia se determina utilizando la probabilidad anual. Una probabilidad de ocurrir de 1% al ao se expresa comnmente como el evento de 100 aos de recu-rrencia, y el evento con un 2% de pro-babilidad anual es el evento de 50 aos de recurrencia. Hay una relacin inversa entre probabilidad anual (PO) e intervalo de recurrencia (IR):

IR = 1 PO

Hay que recordar que, al decir un evento de 100 aos, no se implica que va a ocurrir solamente una vez cada 100 aos. Esto se debe a que las probabilidades anuales son inde-pendientes y el evento de 100 aos puede ocurrir en dos aos consecuti-vos o hasta dos veces en el mismo ao.

En el caso de inundaciones, el clculo de la probabilidad de recurrencia se hace con los datos de las mayores crecidas ocurridas en cada ao. En la Ilustracin 4.10 se muestran los da-tos anuales de la estacin de aforo del Ro Grande de Manat.

Duracin,horas

San Juan Ponce 10 aos 100 aos 10 aos 100 aos

0.5 1.6 1.9 1.7 2.2 1 2.4 2.9 2.6 3.3 2 3.2 4.1 3.4 4.6 3 3.6 4.8 3.8 5.4 6 4.8 6.8 4.8 7.4

12 6.0 9.2 6.0 10.4 24 7.3 11.7 7.4 13.6

Tabla 4.3: Intensidad de lluvia por intervalo de recurrencia.

Ilustracin 4.10: Caudales mximos anuales de la estacin del USGS 50035000 de Ro Grande de Manat en Ciales.

0

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

140,000

1949 1954 1959 1964 1969 1974 1979 1984 1989 1994 1999 2004

D

e

s

c

a

r

g

a

(

p

c

s

)

Fecha(Aos)

A mayor intervalo de recurrencia, mayor la severidad del evento y menor la probabilidad de ocurrencia anual.

Fuente: NOAA Atlas #14

4.12

Las obras hidrulicas no se disean para manejar los eventos mas extre-mos posibles, sino para lograr un ba-lance entre el costo de la obra y los riesgos. Por ejemplo, las Normas de Diseo de la Junta de Planificacin (Junta de Planificacin, 1975) estable-cen que las tuberas de drenaje pluvial en las calles de las urbanizaciones deben ser diseadas para manejar, como mnimo, un evento con una re-currencia de 10 aos. Tambin se hace claro que la tubera constituye el sistema menor de drenaje pluvial, es decir, un sistema solamente para ma-nejar los eventos menores. Las calles y cunetas constituyen el sistema de drenaje mayor para manejar la esco-rrenta durante eventos grandes.

La lgica detrs de este concepto es que si una o dos veces por dcada hay escorrenta pluvial corriendo por las calles, en exceso de lo que puede manejar el sistema pluvial (tuberas), que esto no represente un problema. El patrn y pendiente de las calles deben ser capaces de dirigir las aguas superficiales hacia un cuerpo de agua receptor sin inundar a ninguna edifica-cin. Sin embargo, si se depende de una tubera para manejar el flujo de los eventos mayores, un diseo para la lluvia de 10 aos no es adecuado. Por esta razn, los pluviales dedica-dos para recoger escorrenta de cuen-cas exteriores a un proyecto (offsite),

en zonas interiores de un proyecto sin drenaje superficial, se disean para los eventos de 100 aos.

En Puerto Rico, las obras hidrulicas mayores (puentes, atarjeas, etc.) de-ben proveer un nivel de proteccin mnimo de 100 aos. Sin embargo, en el diseo de obras cuyo fallo puede ocasionar cuantiosos daos y prdida de vidas, se utiliza un estndar an ms estricto. Por ejemplo, los verte-deros hidrulicos de los embalses ms recientes son diseados para manejar el evento de Precipitacin Mxima Probable (PMP).

Precipitacin mxima probable

La Precipitacin Mxima Probable es la precipitacin mxima que podra ocurrir bajo la condicin de la tormenta perfecta. En la mayor par-te de Puerto Rico esta precipitacin corresponde a unas 40 o 45 pulgadas de lluvia en 24 horas, aproximada-mente 3 veces la lluvia de un evento de 100 aos. Estimados de la intensi-dad de los eventos PMP son presen-tados en la publicacin TP-42, USDepartment of Commerce, 1961.


Criterios de diseo

La precipitacin PMP se utiliza para disear obras hidrulicas cuyo fallo podra ocasionar prdidas catastrficas de vida y propiedad.

4.13


El balance entre el ro y el acufero depende de varios factores. La Ilus-tracin 4.11 muestra cmo un ro en segn fluye hacia la costa puede per-der agua hacia el acufero mediante filtracin a travs de su lecho en la zona alta de la planicie inundable y puede ganar flujo por la descarga del acufero segn se acerca a la costa interceptando el tope del acufero.

En los valles de las zonas hmedas de la Isla el agua en las rocas tpica-

mente drena hacia los ros y, por con-siguiente, el flujo en el ro aumenta en direccin aguas abajo. Sin embargo, en las zonas secas de la costa sur los ros pueden alimentar el acufero y su flujo puede disminuir en direccin aguas abajo hasta que el ro se seca.

De esta forma los ros en la costa sur representan una fuente de recarga al acufero, como se muestra en la sec-cin A de la Ilustracin 4.11. Por el contrario, donde el nivel del acufero

es superior al fondo del ro, el acufero descargar hacia el ro (seccin B de la Ilustracin 4.11).

Balance entre ro y acufero

Ilustracin 4.11: Interaccin entre ro y acufero tpico del rea sur de Puerto Rico.

Agua dulceAgua salina

Mar

A

B

A. Recarga del acufero:Infiltracin por lluvia sobre terreno (reas de recarga) y por los cauces de los ros.

B. Descarga del acufero:Pozos, manantiales y filtracin hacia el fondo del mar y ros.

Recarga por ros en la parte superior del acufero.

A

B

Descarga del acufero hacia los ros mantiene flujos base cercanos al mar.

Roca gnea(poca permeabilidad)

Aluvin(alta permeabilidad)

4.14

El flujo de agua superficial en Puerto Rico se registra en estaciones de afo-ro operadas por el USGS. Las prime-ras estaciones fueron instaladas en el 1959 y actualmente hay 224 estacio-nes de aforo en toda la Isla (Ilustracin 4.12). Algunas de estas estaciones tambin recopilan datos de

calidad de agua y concentracin de sedimentos en suspensin. Varias estaciones han sido establecidas para estudios especiales, como las estacio-nes de medicin de sedimentos en la cuenca del Ro Grande de Loza que fueron instaladas en la dcada de los 90's y actualmente estn fuera de ser-

vicio despus de recopilar varios aos de datos. Otras estaciones operan a largo plazo para detectar posibles cambios en los patrones hidrolgicos y para colectar datos de sequas y crecidas.


Medicin del flujo

Leyenda

Ilustracin 4.12: Estaciones de aforo del USGS con ms de 10 aos de datos de flujo y estaciones con ms de 3 aos de datos de sedimentos.

4.15


El caudal del ro vara con el nivel del agua, que es medido por las estacio-nes de aforo continuamente para cal-cular el caudal. La relacin entre cau-dal y nivel no es constante porque el nivel y la configuracin del fondo del ro pueden cambiar con el tiempo, particularmente a consecuencia de crecidas. Por lo tanto, se hacen afo-ros a mano regularmente para actuali-zar la relacin nivel-caudal. En el ca-so de crecidas grandes, no se puede medir el flujo directamente. Para ex-tender la relacin caudal-nivel a los flujos mximos se utilizan modelos hidrulicos.

En Puerto Rico, las estaciones de aforo utilizan un tanque de nitrgeno

conectado a un tubo que desemboca por debajo del agua en el punto de medicin. El tanque pasa un flujo muy lento para mantener el tubo lleno de gas y un transductor mide la presin del gas. Segn sube el nivel del agua, ms presin hay sobre el gas. El transductor registra esta presin y, por consiguiente, el nivel del agua. Un colector de datos registra la infor-macin y lo descarga hacia la compu-tadora central va antena satlite. Todo el sistema funciona con energa de un panel solar y batera. La Ilus-tracin 4.13 muestra una estacin de aforo del USGS y la Ilustracin 4.14 muestra un esquema con sus compo-nentes.

Los datos crudos informados por la estacin requieren verificacin. Es necesario hacer ajustes de acuerdo al cambio en la relacin nivel-caudal antes de publicar los datos en forma final. Como resultado, los datos preli-minares pueden ser diferentes a los publicados. Los datos del USGS estn disponibles en la pgina web: http://nwis.waterdata.usgs.gov/pr/nwis/sw.

La Autoridad de Energa Elctrica (AEE) tambin registra datos del flujo que entra a su sistema de embalses. Estos flujos se calculan a base de un balance de agua y no por estaciones de aforo.

Ilustracin 4.13: Estacin de aforo del USGS en Ro Ta-nam.

Ilustracin 4.14: Diagrama de estacin de aforo del USGS.

Antena Satlite

Batera

Transductor

Sistema de Burbuja

Colector de Datos

Panel Solar

4.16

Crecidas mximas

Es importante conocer la magnitud de las crecidas mximas, en particular la del evento de 100 aos debido a que representa la inundacin base para el diseo de estructuras y la delimitacin de zonas inundables.

Los mtodos comnmente utilizados en Puerto Rico para calcular caudales mximos son los siguientes: el anlisis de frecuencia, el modelo hidrolgico y el mtodo racional.

El anlisis de frecuencia utiliza datos de flujo medidos en una estacin de aforo para determinar el caudal pico. El Boletn 17B (IACWD, 1982) presen-ta una gua para este tipo de anlisis. El Boletn 17B recomienda el uso de la distribucin estadstica tipo Log Pearson III. Una grfica de este tipo se presenta en la Ilustracin 4.15.Hay diversos programas de computa-dora que implementan los mtodos provistos en el Boletn 17B, entre los cuales se encuentran el HEC-SSP (Statistical Software Package) del Cuerpo de Ingenieros, disponible en la siguiente pgina web: www.hec.usace.army.mil/software/hec-ssp.

El anlisis de frecuencia es el mtodo ms confiable para determinar los caudales mximos, sin embargo, slo se puede aplicar en puntos de esta-ciones de aforo que cuenten con ms

de 10 aos de datos, segn se reco-mienda en el Boletn 17B.

De existir una estacin de aforo con muchos datos y la necesidad de esti-mar el caudal de crecida en otra locali-zacin en el mismo ro, se pueden trasladar los valores de la estacin de aforo hacia otro punto mediante la aplicacin de una relacin regional.

El mtodo del modelo hidrolgico es el mas complejo por la informacin que se requiere para prepararlo. Esta in-formacin se enumera a continuacin:

1. El rea de cuenca.

2. La profundidad de lluvia y su dis-tribucin en el tiempo.

3. Las caractersticas hidrolgicas del terreno basadas en el tipo de suelo y su uso.

4. La condicin de humedad antece-dente.

5. El tiempo que requiere el agua para escurrirse hacia el punto de estudio, compuesto del tiempo de concentracin de cada sub-cuenca y el tiempo de viaje a lo largo del ro hacia el punto de anlisis.

Existen numerosos programas de computadora que realizan el anlisis hidrolgico en la ausencia de una es-

tacin de aforo. Estos incluyen el HEC-HMS del Cuerpo de Ingenieros, el TR-20 o el TR-55 del Servicio de Conser-vacin de Recursos Naturales (NRCS, por sus siglas en ingls) y varios pro-gramas comerciales.

El mtodo racional (Maidment, 1993) es muy utilizado por su simplicidad. Se aplica a cuencas con reas de drenaje menores de 150 cuerdas. La ecuacin del mtodo racional relacio-na el flujo [Q (pcs)] con el rea de drenaje [A (mi2)], intensidad de lluvia [I (pulg/hr)] y un coeficiente de rugosi-dad [C] segn se presenta a continua-cin:

Q = C I A

Existen dos mtodos ms sencillos para estimar caudales mximos. Es-tos se utilizan para cotejar fcilmente la razonabilidad del valor calculado mediante los mtodos antes mencio-nados. Estos mtodos de estimacin se describen a continuacin:

1. Ecuacin de regresin regional.La ecuacin regional establece una relacin entre varios aspectos fsicos de la cuenca y el caudal mximo.

En Puerto Rico, diversos estudios han demostrado que los parme-tros mas influyentes para determi-


4.17


nar flujo es el rea de la cuenca y la lluvia anual promedio, ambos datos se pueden obtener fcil-mente. El USGS ha preparado tres estudios que han desarrolla-do ecuaciones para determinar flujos pico en Puerto Rico, el ms reciente de stos (Ramos-Gnes, 1999) presenta ecuaciones que incluyen el parmetro de profundi-dad de la roca en adicin al rea de cuenca y lluvia anual prome-dio. El parmetro de la profundi-dad de la roca no es fcilmente accesible por lo que hace que la ecuacin sea menos prctica de utilizar. A este estudio le precede Lpez y otros (1979), y presenta ecuaciones en funcin de rea y lluvia anual promedio, las cuales se muestran a continuacin:

x Q10 = 3.72 A0.822 * R1.29

x Q25 = 25.7 A0.826 * R0.953

x Q50 = 89.9 A0.83 * R0.734

x Q100 = 268 A0.832 * R0.531

Se puede obtener una mejor pre-cisin al aadir otros parmetros, pero los datos adicionales fre-cuentemente no estn disponi-bles.

2. Grfica de descargas mximas.El valor de las crecidas mximas registradas en estaciones del USGS en Puerto Rico se presenta en la Ilustracin 4.16. Esta grfi-ca tambin se puede utilizar para confirmar visualmente la razona-

bilidad de un estimado de caudal mximo.

La crecida de 100 aos se utiliza co-mo un estndar de proteccin urbana porque los gobiernos acordaron que es un nivel de proteccin adecuado y alcanzable. Los mapas de los lmi-tes de la crecida de los 100 aos y la reglamentacin federal y estatal para la construccin en zonas con riesgo a inundaciones reconocen el evento de 100 aos como el nivel mnimo de proteccin a proveer. Sin embargo, el concepto de sustentabilidad reconoce que un fallo no debe conllevar conse-cuencias catastrficas. En la cons-truccin de diques o represas en don-de el desborde sobre su tope puede ocasionar su falla, se utiliza un evento de mayor magnitud.

Ilustracin 4.16: Descargas mximas en Puerto Rico reportadas en las estaciones del USGS.

0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

1 10 100

D

e

s

c

a

r

g

a

(

p

c

s

)

IntervalodeRecurrencia(aos)Ilustracin 4.15: Distribucin Log Pearson III para Ro Grande de Manat, estacin 50035000 del USGS.

100

1,000

10,000

100,000

1,000,000

0 1 10 100 1,000

D

e

s

c

a

r

g

a

s

M

x

i

m

a

s

(

p

c

s

)

Area de Drenaje (mi2)

4.18

El flujo en los ros es continuamente variable y en Puerto Rico el caudal mximo de 100 aos es tpicamente ms de 1,000 veces el caudal mnimo. En la Ilustracin 4.17 y la Ilustracin 4.18 se muestra la variabilidad del flujo en una estacin de aforo utilizan-do los datos continuos y los datos promedios diarios y anuales. Siempre se debe tener en mente que, cuando se calcula un valor promedio, se pier-de parte de la informacin.

Por ejemplo, en el caso de una creci-da, el caudal mximo del da se pierde al calcular el flujo promedio diario (Ilustracin 4.17). Por lo tanto, el USGS provee por separado los valo-res de los caudales mximos.


Variabilidad del flujo

1

10

100

1,000

10,000

100,000

1990 1994 1999 2004 2009

D

e

s

c

a

r

g

a

(

p

c

s

)

Fecha (Ao)

Descarga promedio anual

Descarga diaria

Ro Grande de Manat (50035000)

Ilustracin 4.18: Variabilidad en la descarga diaria comparada con la descarga anual.

Ilustracin 4.17: Variabilidad continua en descarga.

0

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

3/2/2009 3/3/2009 3/4/2009 3/5/2009 3/6/2009 3/7/2009 3/8/2009 3/9/2009

D

e

s

c

a

r

g

a

(

p

c

s

)

Fecha (mes/da/ao)

Descarga promedio diaria

Descarga continua, cada 15 minutos

Ro Grande de Manat (50035000)

4.19


Flujos mnimos

Durante periodos de estiaje, cuando los ros tienen un flujo mnimo, hay muy poca variacin en el flujo y se utilizan valores de flujo promedio dia-rio para determinar los flujos mnimos. De tener datos de una estacin de aforo disponible, se determina el flujo mnimo ordenando los datos diarios en secuencia de mnimo a mximo y calculando directamente el porciento de los das de excedencia de flujo. Puede presentarse los datos ordena-dos en forma de grfica, segn se muestra en la Ilustracin 4.19.

Donde no existe una estacin de aforo cercana se puede estimar los flujos mnimos con diferentes excedentes

por medio de las siguientes ecuacio-nes (Morris, 200

Guia Para El Manejo de Rios Lwres

Documents

Transcript of Guia Para El Manejo de Rios Lwres