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Manejo sostenible de cuencas con atenuadores de escorrent�a aplicando sig y simulaci�n semidistribuida

 

Sustainable management of watersheds with runoff attenuators applying GIS and semi-distributed simulation

 

Gest�o sustent�vel de bacias hidrogr�ficas com atenuadores de escoamento aplicando SIG e simula��o semi-distribu�da

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: jorgecastillo45@hotmail.com

 

 

Ciencias T�cnica y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de mayo de 2023 *Aceptado: 12 de junio de 2023 * Publicado: �04 de julio de 2023

 

1. Ingeniero Civil, Pontifica Universidad Cat�lica del Ecuador Sede Manab�; Portoviejo, Ecuador.

Resumen

En este estudio se evalu� el uso de atenuadores de escorrent�a, como un medio para mitigar las magnitudes de flujo m�ximo en eventos que causan inundaciones en la cuenca del rio de Oro de la ciudad de Portoviejo provincia de Manab�, dando como resultados los sitios id�neos donde colocar las atenuadores de escorrent�a por sus siglas en ingl�s (RAFs) e hidrogramas que demuestren la atenuaci�n de la escorrent�a. Para el estudio morfol�gico de las 13 microcuencas se utiliz� el programa QGIS, se implement� el modelo del Servicio de conservaci�n del suelo SCS para calcular el n�mero de curva y realizar una modelaci�n hidrol�gica con el programa HEC-HMS. Se implement� la metodolog�a HIRO para encontrar las medidas de infraestructura verde y los lugares id�neos donde colocar los atenuadores de escorrent�a, las medidas resultantes fueron la reforestaci�n y forestaci�n en los lugares establecidos por el estudio, se reasign� un nuevo uso de suelos y se realiz� una segunda modelaci�n hidrol�gica dando como resultado una reducci�n del 17%, 9%, 7% y 5% del caudal pico en el punto de aforo para periodos de retorno de 2, 25, 50 y 100 a�os respectivamente.

Palabras Clave: Soluciones basadas en la naturaleza; atenuadores de escorrent�a; gesti�n natural de inundaciones; modelo hidrol�gico.

 

Abstract

In this study, the use of runoff attenuators was evaluated as a means to mitigate the magnitudes of maximum flow in events that cause flooding in the Oro river basin of the city of Portoviejo, Manab� province, resulting in the ideal sites where place runoff attenuators (RAFs) and hydrographs that demonstrate runoff attenuation. For the morphological study of the 13 micro-watersheds, the QGIS program was used, the SCS soil conservation service model was implemented to calculate the curve number and perform hydrological modeling with the HEC-HMS program. The HIRO methodology was implemented to find the green infrastructure measures and the ideal places to place the runoff attenuators, the resulting measures were reforestation and afforestation in the places established by the study, a new land use was reassigned and a second hydrological modeling resulting in a reduction of 17%, 9%, 7% and 5% of the peak flow at the gauging point for return periods of 2, 25, 50 and 100 years respectively.

Keywords: Nature-based solutions; runoff attenuators; natural flood management; hydrological model.

 

Resumo

Neste estudo, avaliou-se o uso de atenuadores de escoamento como meio de mitigar as magnitudes de vaz�o m�xima em eventos que causam inunda��es na bacia do rio Oro da cidade de Portoviejo, prov�ncia de Manab�, resultando nos locais ideais para colocar atenuadores de escoamento ( RAFs) e hidrogramas que demonstram a atenua��o do escoamento. Para o estudo morfol�gico das 13 microbacias, utilizou-se o programa QGIS, implementou-se o modelo de servi�o de conserva��o do solo SCS para calcular o n�mero da curva e realizar a modelagem hidrol�gica com o programa HEC-HMS. A metodologia HIRO foi implementada para encontrar as medidas de infraestrutura verde e os locais ideais para colocar os atenuadores de escoamento, as medidas resultantes foram reflorestamento e arboriza��o nos locais estabelecidos pelo estudo, um novo uso da terra foi reatribu�do e uma segunda modelagem hidrol�gica resultando em uma redu��o de 17%, 9%, 7% e 5% da vaz�o de pico no ponto de medi��o para per�odos de retorno de 2, 25, 50 e 100 anos respectivamente.

Palavras-chave: Solu��es baseadas na natureza; atenuadores de escoamento; gest�o de cheias naturais; modelo hidrol�gico.

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Introducci�n

Desde el inicio de las civilizaciones las inundaciones han puesto en peligro a los habitantes que yacen a orillas de r�os y llanuras, tienen un impacto creciente en las poblaciones provocan aislamiento, p�rdidas de vidas y p�rdidas econ�micas (Douben, 2006), en su mayor�a son provocadas por conflictos entre el hombre con el medio ambiente (Dadson et al., 2017). Cambios en la temperatura y la precipitaci�n, puede conducir a inundaciones y sequ�as severas y frecuentes producto del cambio clim�tico afectando cada vez m�s a la poblaci�n (Lehner et al., 2006) (Di Baldassarre et al., 2017), el n�mero de incidentes est� aumentando en zonas urbanas, provocando que los grupos con menos recursos sean m�s vulnerables (Mogammad, 2008), los da�os por inundaciones pueden ser m�s grandes de lo que parecen (Wagenaar et al., 2016).

El cambio clim�tico est� modificando el comportamiento de la escorrent�a a nivel mundial (Milly et al., 2005), se predice un aumento del 4% de la escorrent�a consecuencia del aumento de la temperatura (Labat et al., 2004), la frecuencia y magnitud de los fen�menos meteorol�gicos extremos se ampl�an (O�Gorman, 2015) (Mazdiyasni & AghaKouchak, 2015) por lo tanto es necesario desarrollar estrategias, metodolog�as y herramientas m�s efectivas para reducir los peligros naturales asociados con las inundaciones (Michielsen et al., 2016).

Manab� fue la tercera provincia m�s afectada durante la temporada de lluvias 2021, encabezando la lista estuvo la provincia de Los R�os con 4650 afectados, seguido de Esmeraldas con 2716 y Manab� con 2287 afectados (El Universo, 2021). El cambio clim�tico hace que Manab� sufra sequ�as e inundaciones, fen�menos que reducen el desarrollo de la poblaci�n (Mendoza et al., 2019) existe mal manejo de r�os y riberas para evitar inundaciones, (Giler-Ormaza et al., 2020). El rio de Oro genera inundaciones, en verano permanece seco y en invierno incrementa su caudal ocasionando inconvenientes a la poblaci�n, evidencias sufridas en el a�o 1982 por el fen�meno de El Ni�o (El Diario.ec, 2018).

La naturaleza toma importancia para abordar los desaf�os ambientales, sociales, econ�micos y en la sociedad en general (Maes & Jacobs, 2017), existen soluciones para la gesti�n de riesgos de inundaciones: la estructural y no estructural, la estructural se divide en soluciones basadas en la naturaleza y soluciones grises (Kundzewicz, 2002). Soluciones grises incluyen presas, embalses, ampliaciones y profundizaci�n de canales, sistemas de drenaje, soluciones basadas en la naturaleza �(SBN) incluyen bioingenier�a, manejo natural de inundaciones, atenuadores de escorrent�a (Nicholson et al., 2012).

La Uni�n Internacional para la Conservaci�n de la Naturaleza (UICN) define las SBN como �acciones para proteger, gestionar de manera sostenible y restaurar (crear) ecosistemas naturales o modificados que aborden los desaf�os sociales (incluidos los urbanos) de manera efectiva y adaptativa, brindando simult�neamente bienestar humano y beneficios de la biodiversidad� (Cohen-Shacham et al., 2016). Las SBN son formas sostenibles de lidiar con los riesgos del agua porque requieren menos mantenimiento, son m�s rentables y respaldan niveles de alta biodiversidad (Opperman et al., 2009) (Albert et al., 2019).

El presente estudio investiga el potencial para gestionar la escorrent�a mediante el uso de atenuadores, estos interceptan y almacenan temporalmente el agua de inundaci�n (Wilkinson et al., 2010) (Wilkinson et al., 2014), beneficios adicionales incluyen la mejora de la calidad del agua a trav�s de la deposici�n de sedimentos y mejora ecol�gica (Shuttleworth et al., 2019). El objetivo general es evaluar el uso de atenuadores en la subcuenca rio de Oro para disminuir la intensidad de la escorrent�a. Los objetivos espec�ficos son encontrar los sitios id�neos para colocar atenuadores y demostrar la disminuci�n de la escorrent�a mediante el modelamiento hidrol�gico.

 

M�todos o metodolog�as

�REA DE ESTUDIO

Figura 1. Localizaci�n del �rea de estudio.

Fuente: Elaboraci�n propia

 

La presente investigaci�n se encuentra en la subcuenca del rio de Oro localizada en la ciudad de Portoviejo provincia de Manab�, esta nace en las canteras del cerro Guayabal, su recorrido abarca la parte posterior del parque industrial, y suma unos 17 km hasta la ciudadela Bellavista, contin�a a la ciudadela Las Orqu�deas, El Llano, avenida del Ej�rcito hasta unirse con el r�o Portoviejo. Las coordenadas del punto de cierre de la cuenca es Este = 558362.773, Norte = 9881939.422.

 

Estudio morfol�gico

Para el estudio morfol�gico de la Subcuenca del rio de Oro se va a realizar un geoproceso para determinar los pol�gonos que pertenecen a cada microcuenca que cumpla con las siguientes condiciones:� Tener la pendiente en una de las dos clasificaciones >= 3% o < 3%, tener el mismo uso de suelo, tener el grupo hidrol�gico en una de las 4 posibilidades A, B, C o D. (Ferrer et al., 1995).

El primer dato para obtener es un modelo digital del terreno por sus siglas en ingl�s (DEM). Con el DEM y el mapa base se pudo obtener la red de drenaje; con estos datos se define la delimitaci�n de la cuenca principal del Rio de Oro y de las microcuencas aportantes.

 

 

Figura 2. Microcuencas de la Subcuenca Rio de Oro.

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Se realiza con el programa QGIS un mapa de pendientes con dos clasificaciones >= 3% o < 3%, para el primer caso se va a asignar el n�mero 1 y para el segundo caso el n�mero 2.

Luego de tener definido el lugar de estudio se busca informaci�n sobre el tipo de suelo, se puede encontrar esta informaci�n en las p�ginas de informaci�n geogr�fica gubernamentales, en el cat�logo de metadatos de SIGtierras; se tiene una base de datos con informaci�n de las propiedades y caracter�sticas de los tipos de suelos que existen en el pa�s, tambi�n se puede obtener informaci�n de los usos de suelos. Luego de esto se relaciona el tipo de suelo con la clasificaci�n de grupos hidrol�gicos como se muestra en la Tabla 1.

 

 

Tabla 1. Grupos hidrol�gicos de acuerdo con el tipo de suelo.

Fuente: (SCS, 1982)

 

Con el software QGIS se elabora un shape file que contiene informaci�n del uso de suelo, el Servicio de conservaci�n del suelo (SCS) posee una tabla de la clasificaci�n de los suelos, para analizar el tipo de suelo de una manera integral se definieron los grupos establecidos seg�n la metodolog�a SCS. �

Con la informaci�n del uso y tipo de suelo se obtiene la clasificaci�n hidrol�gica del suelo y se procede a obtener el n�mero de curvas (CN) correspondiente a cada microcuenca previamente delimitada.

 

Figura 3. N�mero de curva de cada microcuenca.

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Estudio hidrol�gico

Mediante la informaci�n que se encuentra publicada en los anuarios meteorol�gicos del (INAMHI) Instituto Nacional de Meteorolog�a e Hidrolog�a que est� disponible en formato digital e impreso, se obtiene el hietograma mediante el m�todo del bloque alterno. Dada la ubicaci�n de nuestra subcuenca de estudio se utiliz� la estaci�n hidrol�gica Portoviejo con c�digo M0005 haciendo uso de las ecuaciones de intensidad correspondiente para un periodo de lluvia de 120 minutos y un periodo de retorno de 2, 25, 50 y 100 a�os. Para la modelaci�n hidrol�gica se emplea el programa HEC-HMS, un programa de acceso libre que se especializa en la modelaci�n hidrol�gica de cuencas para obtener caudales m�ximos. Se necesita datos morfom�tricos de cada microcuenca, calculados en el apartado anterior con el programa QGIS, estos datos fueron ingresados para la modelaci�n. En la Figura 4 se muestra la modelaci�n gr�fica de la Subcuenca rio de Oro en el programa HEC-HMS.

 

Figura 4. Modelaci�n de la subcuenca rio de Oro en HEC-HMS.

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Tabla 2. Resultado de la modelaci�n de la Subcuenca rio de Oro en HEC-HMS.

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Identificaci�n de oportunidades para la infraestructura natural

Para la identificaci�n de lugares id�neas para la implementaci�n de soluciones basadas en la naturaleza, infraestructura natural como mecanismos atenuadores de escorrent�as; utilizamos la Gu�a Metodol�gica HIRO (CONDESAN, 2017). �Se necesita la siguiente informaci�n de la zona de estudio seg�n la metodolog�a HIRO:

 

Nro.	Descripci�n	Fuente
1	�reas Inundables	(INHAMI, 2019)
2	Movimiento de masa	Secretar�a de gesti�n de riesgos (SNI, 2009)
3	�rea prioritaria de restauraci�n	(MAATE, 2015)
4	Modelo digital de elevaci�n (DEM)	(MAATE, 2015)
5	Mapa uso de suelos	MAGAP� (SNI, 2009)
6	Mapa de pendientes	Procesamiento de datos del modelo digital
7	Mapa de �reas naturales protegidas	(MAATE, 2015)
8	Mapa Hidrogeol�gico (Permeabilidad)	MAGAP� (SNI, 2009)
9	Mapa de precipitaciones (Isoyetas)	(INHAMI, 2019)

Tabla 3. Informaci�n SIG necesaria para aplicar la metodolog�a HIRO.

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Seg�n la metodolog�a HIRO se identifican 3 fases: fase de identificaci�n del problema, fase de identificaci�n de las causas y fase de las soluciones. La fase 1 tiene como finalidad la caracterizaci�n de la cuenca y la integraci�n de informaci�n de peligro, la fase 2 tiene como fin la integraci�n de �reas prioritarias de restauraci�n en zonas de peligro de inundaci�n y movimiento de masa y la fase 3 tiene como finalidad la integraci�n de informaci�n de zonificaci�n forestal, aporte h�drico e hidrogeolog�a. La informaci�n final nos permite la identificaci�n de medidas de infraestructura natural, para lo cual se utiliza el diagrama de decisiones de la metodolog�a (CONDESAN, 2017).

Tabla 4. N�mero de la medida de infraestructura natural seg�n metodolog�a HIRO.

Fuente: (CONDESAN, 2017).

En la fase 1, para obtener la informaci�n de peligro de la zona de estudio, unimos el Mapa de Movimiento de Masas con el de Inundaciones a esto lo llamaremos Zonas en peligro que contiene movimiento de masa alto y medio y �reas susceptibles a inundaciones (CONDESAN, 2017).

La fase 2, consiste en intersecar el Mapa de Zonas en Peligro con el Mapa de �reas Prioritarias para Restauraci�n, al intervenir en estas �reas prioritarias de restauraci�n (alta, media y baja) contribuyen a la regeneraci�n y mejor funcionamiento de los ecosistemas; en este sentido, reducen la probabilidad de ocurrencia y el grado de da�o que estos peligros pueden causar, as� como tambi�n reducen la exposici�n, a la intersecci�n de estos dos mapas le llamaremos Primera focalizaci�n (CONDESAN, 2017).

La fase 3, consiste en identificar las Zonas de Recuperaci�n, resultado de la uni�n de los Mapas de Pendiente, Mapa de Uso de Suelos, Mapa de �reas Protegidas, con la selecci�n de criterios que para nuestra zona de estudio fueron los siguientes: se identificar� como Zonas de Recuperaci�n aquellas donde la pendiente sea Fuerte e Irregular (25-70%), para evitar lugares con pendientes muy fuertes por la dificultad para la implementaci�n de infraestructura natural ni pendientes bajas porque no producen suficiente escorrent�a; usos de suelo correspondientes a Conservaci�n y Protecci�n dado que en nuestra zona de estudio corresponden a zonas alteradas y que presentan oportunidad para restauraci�n; y que est�n fuera de �reas protegidas porque va a ser imposible intervenir en �reas protegidas y reguladas por el estado; al mapa resultante de la uni�n le intersecamos el Mapa de la Primera focalizaci�n, el resultado es la identificaci�n de Zonas de Recuperaci�n (CONDESAN, 2017).

Asimismo, se debe identificar zonas de permeabilidades bajas para colocar atenuadores de escorrent�a aumentando los beneficios de la infraestructura verde en zonas propensas a inundaciones, para esto se intercepta el Mapa Hidrogeol�gico con el Mapa de Zonas de Recuperaci�n, como resultado obtenemos el Mapa de Zonas de Recuperaci�n Hidrogeol�gicas (CONDESAN, 2017).

Adem�s, se debe identificar el aporte h�dricos en zonas de recuperaci�n, lugares donde se identifique cu�l es el aporte h�drico por precipitaciones que integre el valor de la pendiente y las zonas de recuperaci�n, para identificar el aporte h�drico realizamos una reclasificaci�n teniendo en cuenta que aportes h�dricos altos son causados por precipitaciones altas con pendientes altas, aportes h�dricos medio son causado por precipitaciones medias con pendientes medias y aportes h�dricos bajos son causados por precipitaciones bajas con pendientes bajas, para esto intersecamos el Mapa de Pendientes con el Mapa de Precipitaciones, as� tenemos el Mapa de Aporte H�drico (CONDESAN, 2017). Para obtener el Mapa de Aporte H�drico en Zonas de Recuperaci�n intersecamos el Mapa de Aporte H�drico con el Mapa de Zonas de Recuperaci�n.

Finalmente, para obtener el Mapa de Identificaci�n de Infraestructura Natural (IN), unimos el Mapa de Zonas de Recuperaci�n Hidrogeol�gicas con el Mapa de Aporte H�drico en Zona de Recuperaci�n y realizamos una reclasificaci�n por atributos, tomando en cuenta que para nuestro caso de estudio necesitamos atenuar escorrent�a, por lo tanto, nuestra permeabilidad ser� baja y aporte h�drico medio (CONDESAN, 2017).

 

Resultados y discusi�n

Resultado

Luego de aplicar la metodolog�a HIRO para nuestro caso de estudio, se logr� identificar las �reas donde se puede implementar infraestructura natural, atenuadores de escorrent�a. De acuerdo con los criterios de permeabilidad, aporte h�drico y tomando como base la Tabla 4 tenemos como resultado las alternativas 1, 2 y 4. Escogemos la REFORESTACI�N, FORESTACION como atenuadores de escorrent�a, �stas consisten en incorporar especies arb�reas en zonas espec�ficas logrando que se asigne un nuevo uso de suelo, con esto logramos modificar las �reas seleccionadas a: Masa forestal (bosques, monte bajo, ...) espesa.� Recalculamos los n�meros de curvas de cada microcuenca tomando en cuenta los nuevos usos de suelos adoptados, con la misma metodolog�a.

 

Figura 5. Mapa de Identificaci�n de IN.

Fuente: Elaboraci�n propia

Figura 6. N�mero de curva modificada de cada microcuenca.

Fuente: Elaboraci�n propia

Tabla 5. Valores de CN inicial y CN modificado.

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Con los nuevos valores de CN se realiza una nueva modelaci�n hidrol�gica con la misma ubicaci�n de la estaci�n hidrol�gica Portoviejo con c�digo M0005 haciendo uso de las ecuaciones de intensidad correspondiente para un periodo de lluvia de 120 minutos y un periodo de retorno de 2, 25, 50 y 100 a�os, los resultados se muestran en la Tabla 6 y la Figura 7.

Se realiz� el modelo hidrol�gico obteniendo nuevos caudales pico en el punto de aforo de 10.2 m3/s, 51.7 m3/s, 80.2 m3/s y 120.0 m3/s para un periodo de retorno de 2, 25, 50 y 100 a�os respectivamente.

 

Tabla 6. Resultado de la modelaci�n de la Subcuenca rio de Oro con CN modificado.

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Figura 7. Hidrograma del cierre de la Subcuenca rio de Oro con CN modificado para periodo de retorno de 100 a�os.

Fuente: Elaboraci�n propia.

 

Para nuestra zona de estudio tenemos que la microcuenca 7 es la de menor porcentaje de �rea de implementaci�n de infraestructura natural (IN) con respecto al �rea total de su microcuenca con un 0.02% mientras que la microcuenca numero 6 es la que mayor porcentaje tiene con respecto al tama�o total de la microcuenca con un 30.74%.

Figura 8. Mapa de IN en las microcuencas que componen la zona de estudio

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Tabla 7. Porcentaje de IN en cada microcuenca de la zona de estudio

Fuente: Elaboraci�n propia

 

La microcuenca 4 es la de mayor �rea de implementaci�n de IN con 659991.00 m2, le sigue la microcuenca 3 con 632403.00 m2. Para el �rea de estudio de la Subcuenca rio de Oro tenemos un �rea total para implementar infraestructura natural de 3962958.57 m2 correspondiente al 9.34% de su �rea total.

 

Discusi�n

El uso de atenuadores de escorrent�a como parte de la infraestructura verde es ventajosa para disminuir las consecuencias de los fen�menos meteorol�gicos naturales en las cuencas hidrogr�ficas, por la f�cil implementaci�n y el bajo costo a comparaci�n con una infraestructura gris tradicional, estas medidas reducen el efecto de las fuertes lluvias invernales.

Varias investigaciones concluyeron que la cubierta forestal reduce el caudal m�ximo a un determinado umbral de precipitaci�n, a medida que aumenta la intensidad de la tormenta, disminuye la capacidad del bosque para amortiguar las inundaciones (Bathurst, Amezaga, et al., 2010) (Bathurst, Bovolo, et al., 2010) (Bathurst et al., 2011). Adem�s (Roa-Garc�a & Weiler, 2010), mostr� que los bosques nativos y las plantaciones de �rboles ex�ticos atenuaron el flujo m�ximo inclusive durante las tormentas m�s fuertes (Bonnesoeur et al., 2019). Seg�n (Bonnesoeur et al., 2019) la cubierta forestal puede reducir el caudal m�ximo de las tormentas con periodos de retorno de 10 a�os o menos y la capacidad m�xima de amortiguaci�n del flujo de las plantaciones de �rboles ex�ticos puede ser ligeramente menor que la de los bosques nativos, ya que los bosques nativos tienen una escorrent�a superficial ligeramente menor y una capacidad de almacenamiento de agua en el suelo ligeramente mayor.

Por lo tanto, para este caso de estudio en las zonas de recuperaci�n de baja permeabilidad y aporte h�drico medio en la cuenca del rio de Oro utilizando la reforestaci�n y forestaci�n como m�todo atenuador de escorrent�a y el cambio de uso de suelo a Masa forestal espesa, disminuy� el caudal pico para los periodos de retorno de 2, 25, 50 y 100 a�os en 17%, 9%, 7% y 5% respectivamente. Se puede apreciar con estos resultados que, mientras m�s prolongado es el per�odo de retorno mayor es el caudal pico de descarga, menor es la capacidad de atenuar la escorrent�a, concordando con lo establecido por (Bonnesoeur et al., 2019) quien manifiesta que los sistemas forestales tienen una capacidad de atenuar como m�ximo caudales con 10 a�os de periodo de retorno. Sin embargo, se demuestra que esta tecnolog�a innovadora sirve para atenuar caudales pico y distribuir de mejor manera el volumen de agua producido por las precipitaciones teniendo mayor eficacia en periodos de retorno cortos, alcanzando en este caso de estudio para un periodo de 2 a�os una reducci�n del caudal pico del 17%.

 

Referencias

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