MODELAMIENTO DE LA QUEBRADA LA PRESIDENTA CON HEC RAS 4.1.0 Pineda Lopez Steven¹, Burbano Estupiñan Paola Stephania¹, Tamayo Cano Andrés Felipe¹.
Estudiantes de ingeniería civil de la Universidad de Antioquia
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RESUMEN En el presente trabajo se encuentra el análisis hidráulico realizado para el canal de la quebrada La Presidenta, la cual se encuentra ubicada al sur oriente de la ciudad de Medellín del departamento de Antioquia, Colombia. Tener un análisis de este tipo permite determinar comportamientos a futuro, por medio de datos pasados y presentes, del cauce, la zona y la población que serán afectadas a raíz de un posible desbordamiento, con esto se busca reducir factores que presenten un impacto negativo sobre la zona y su población. Para esto fue necesario ejecutar un estudio teórico-práctico de una sección de la microcuenca de la quebrada haciendo uso de información recopilada, condiciones presentes presentes y la estimación de condiciones futuras para comprender, en cierta medida, los procesos naturales a través de una modelación en computadora por medio del recurso de HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center-River Analysis System) y determinar la capacidad hidráulica, el comportamiento del cauce y las zonas o la población que posteriormente serán afectadas a raíz de un desbordamiento. Palabras Clave: Quebrada, canal, modelación, desbordamiento.
ABSTRACT This document it’s about the hydraulic analysis of the watercourse w atercourse of the ravine La Presidenta, which is located in the south east zone of Medellin in the state of Antioquia, Colombia. This kind of analysis allows to determine future behaviors through past and present information of the channel, the zone and the population that will be affected because of a possible overflow, looking for to reduce factors that show a negative impact on the area and its population. To achieve this, it was necessary to carry out a theoretical and practical study of a section of the micro watershed of the ravine using the collected information, the current conditions and the estimate of future conditions to understand, somewhat, the natural process through a computer modeling using the HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center-River Analysis System) and establish the hydraulic capacity, the channel behavior and the area or the people that will be subsequently affected because of an overflow. Key Words: Ravine, channel, modeling, overflow.
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INTRODUCCIÓN En el Valle de Aburrá se ha venido incrementando el crecimiento de la población, esto ha ocasionado el asentamiento sin discriminación alguna, de la población en las proximidades de los ríos y quebradas que por el valle fluyen. La situación anterior ha generado todo tipo de problemas, los daños generados por un desbordamiento de una quebrada que en sus alrededores cuente con todo tipo de intervenciones no son comparables con los daños generados si la quebrada no tiene construcciones ni asentamientos. Por esta razón es de gran importancia predecir las tendencias de evolución morfológica de cauces aluviales para la planificación de obras civiles o actividades humanas, en el cauce como tal y en sus zonas adyacentes; por ello, es preciso conocer cómo se comportan los cauces que interactúan con estas intervenciones sobre el medio natural. El contenido de este trabajo cuenta inicialmente con la introducción del tema a considerar y el objetivo general, a continuación se plantea la descripción del tramo. Posteriormente se muestra paso a paso la modelación en HEC-RAS a través de un conjunto de pantallazos y una descripción breve de cada uno de ellos. El análisis de la información y el análisis de los resultados obtenidos a partir de la toma de datos se muestran más adelante. Finalmente se presentan las conclusiones pertinentes.
DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA ZONA DE INFLUENCIA La microcuenca de la quebrada La Presidenta nace en la vereda del corregimiento de Santa Elena, aproximadamente en la cota 2700 y desemboca en el rio Medellín en la cota 1488. Posee un áreas superficial de 13.47 km2, una pendiente promedio de 17.68 %; el cauce principal tiene una longitud de 7.17 km y una pendiente de 18.33%. La quebrada La Presidenta atraviesa de oriente a occidente Las Palmas y el corregimiento de Santa Elena, desciende por la comuna 14 cruzando los barrios de los Altos del Poblado, La Chacona, Patio Bonito y el parque Lleras, desembocando finalmente en el rio Medellín, por lo que se encuentra en una zona urbanizada, rodeada de edificios, viviendas y locales comerciales. Es importante considerar todos los factores que podrían provocar un desbordamiento de la quebrada como la sucedida en el año 2013, donde fuertes precipitaciones provocaron el colapso de los sumideros, devolviendo el agua y obstruyendo las vías a su alrededor con lodo y rocas. Es por esto que se deben identificar los puntos de mayor riesgo con su respectivo análisis. El tramo a analizar es de un tramo de 500 m, y está ubicado como se muestra en la imagen1:
Objetivos Objetivo general Generar un modelo a partir del programa de computadora HEC-RAS de un tramo de la quebrada La Presidenta con el fin de identificar las posibles manchas de inundación para unos periodos de retorno determinados además de establecer el comportamiento hidráulico del cauce, posibles inconvenientes en obras o elementos de la quebrada y plantear soluciones para reducir los daños que puedan suceder en el sector.
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Imagen 3. Canalización de la quebrada La Presidenta.
Imagen 1. Ubicación del tramo a analizar.
A lo largo del tramo escogido, se seleccionaron lugares con particularidades, las cuales se registraron en fotografías y se comentaron brevemente.
Canalización: la totalidad del tramo escogido se encuentra canalizado.
En las fotografías se observa la completa canalización del tramo de análisis; en la imagen 3, se observa que el concreto está cubierto por vegetación.
Obras Hidráulicas: En el tramo de estudio se encontraron vertederos, aportes de caudal y ensanchamiento del canal.
Imagen 2. Canalización de la quebrada La Presidenta.
Imagen 4. Ensanchamiento del canal.
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Esta obra hidráulica se encuentra cercana a un lugar residencial, reduce la velocidad del caudal.
Imagen 5. Vertederos a lo largo del canal.
Los vertederos se localizaron en tres puntos a lo largo del canal, estos mitigan la energía del caudal y evitan problemas de erosión aguas abajo.
Imagen 7. Puente sobre la quebrada.
Problemas identificados: A lo largo del tramo se encuentran lugares que deberían ser intervenidos para evitar mayores daños.
Imagen 6. Aportes de caudal
Los aportes de caudal a lo largo de la quebrada provenían de aguas negras de lugares aledaños.
Otro tipo de obras: Se localizaron dos puentes a lo largo de la canalización.
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Imagen 8 . Fractura de la pared del canal.
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Imagen 9. Fractura de la pared del canal. Imagen 11. Paisajismo dentro de la quebrada.
La fractura en la pared del canal que se evidencio en varios sectores, representa un problema serio, ya que el agua empieza a filtrarse en el suelo, aumentando el daño en más secciones y provocando la erosión del suelo.
Detalles paisajísticos: imágenes del lugar desde un punto de vista urbano, senderos peatonales y vegetación se observan alrededor del cauce.
Imagen 10 . Paisajismo dentro de la quebrada.
MODELO Para la realización del modelo en HEC-RAS se llevaron a cabo diferentes pasos; reconocimiento de la zona de estudio, obtención de datos históricos y posteriormente el desarrollo de las secciones transversales para ser ingresadas en el programa para correrlo y poder analizar los resultados. En la imagen 1, se puede observar el tramo de la quebrada que fue modelado, el cual consta aproximadamente con una longitud de 1 Km. A continuación, se presenta el modelo simplificado.
Grafica 1. Modelo de la sección usada con el programa
HEC-RAS.
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Para la modelación en el programa se introdujeron diez secciones, se escogió un tramo que estuviera canalizado para poder introducir bueno datos, con estos datos se pudo interpolar de tal forma que se pudieran tener secciones cada 10 metros para lograr una mejor aproximación a la realidad.
antes mostradas. Para las secciones transversales correspondientes a las abscisas de los puentes, se tuvieron que incluir más datos para que estos se pudieran modelar mejor, a continuación se muestran los perfiles correspondientes.
Para la obtención de las medidas no se utilizaron estaciones especializadas de topografía, por lo que hay cierto grado de incertidumbre en los datos, pero de igual forma, se tomaron precauciones a la hora de tomar los datos en campo. En las siguientes graficas se pueden observar las secciones.
Grafica 4. Sección transversal para el puente con un
periodo de retorno de 5 años.
Grafica 2. Sección transversal tramo recto.
Grafico 5. Sección transversal para el puente con un
periodo de retorno de 25 años.
Grafica 3. Sección transversal en la curva.
En el segmento estudiado, se presentan dos puentes los cuales se pueden observar mejor en las imágenes
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Con todos los datos incorporados en el Software, secciones, caudales según los periodos de retorno, puentes, se procede a correr el modelo para poder realizar un análisis pertinente que nos permita sacar buenas conclusiones.
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ANÁLISIS Y RESULTADOS Con los datos arrojados por el modelo se pueden interpretar los siguientes parámetros. En periodos de 2 años aproximadamente, se generan inundaciones en las zonas bajas del tramo estudiado, lo cual es debido a la baja pendiente que se encuentra en ella. Por otro lado, se nota que los puentes con luz corta y sin pilas que se encuentran en el segmento no interfieren en el normal desarrollo del cauce. En la siguiente grafica se puede observar claramente el lugar que se inunda, se investigó y efectivamente hay historial de que este sector de la canalización (zona del éxito del poblado) ha tenido problemas de inundación a lo largo del tiempo. Se cree que es debido a la baja pendiente ya que de esta forma no se logra una buena descarga de caudal, ocasionando que se estanque el agua y posteriormente se rebose el canal.
pendiente para así poder analizar el flujo y el comportamiento de los caudales en la presidenta. En el grafico que sigue a continuación, se puede observar más claramente.
Grafico 7. Mapa de pendientes para la cuenca la
Presidenta.
Basados en los gráficos anteriores se logra mirar que la velocidad en el tramo critico es muy lenta, por lo que la zona se puede denominar una zona de remanso. Se logra entender que es una zona problemática de la quebrada la Presidenta. Para los caudales con periodos de retorno de 25 años las zonas de inundación superan ampliamente las cotas de los puentes, esta zona propensa al desbordamiento cercana a la desembocadura ya está totalmente rebosada. Grafica 6. Perfil de inundación para la Q la presidenta.
Con el fin de reiterar la información arrojada por el programa se buscó en la literatura el mapa correspondiente a las pendientes de la cuenca, la cual, basado en porcentajes se puede ver en colores la inclinación del terreno. Lo cual, puede ser de gran ayuda para determinar las zonas críticas por inundación, deslizamiento, erosión, etc. Para este caso, es relevante observar los sectores con poca Modelación de la quebrada La Presidenta con HEC – RAS
Para periodos de retorno de 5 años la zona critica de la quebrada muestra un desbordamiento total a nivel del puente número 1, este hecho, podría ocasionar daños de grandes envergaduras, como las mencionadas anteriormente. Observando el comportamiento del flujo en diferentes periodos de retorno, los resultados concuerdan con las amenazas de riesgo elaboradas por el área metropolitana en el estudio de la quebrada la Presidenta, en la siguiente grafica se
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nota la zona con riesgo de inundación actualmente y a futuro (parte baja de la quebrada, éxito del poblado), tramo estudiado en este modelo. Por lo que los resultados se acercan a la realidad, dejando por sentado la exactitud del programa HEC-RAS.
Grafica 9. Secciones transversales del segmento
estudiado de la Q. la presidenta. CONCLUSIONES Grafico 8. Perfil de inundación para el segmento
estudiado de la Q. la Presidenta.
En cuanto al diseño de los puentes, basados en los resultados obtenidos por el modelo se puede notar que no resistirían las inundaciones para los altos periodos de retorno, pues fueron construidas en lugares que aunque no afectan aparentemente el flujo de la quebrada no están diseñadas para resistir los cambios que esta pueda tener. Es claro, que la zona no está preparada para el día en que se presenten los caudales máximos, debido a que las zonas de inundación naturales de la quebrada están urbanizadas, impidiendo el normal desarrollo del flujo en las crecientes. En el siguiente grafico se muestran las diferentes secciones para el tramo modelado de la quebrada, en donde se observan las formas geométricas de tal segmento.
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La desembocadura de la quebrada en la poblada, es un lugar de interés hidráulico ya que su diseño no es el más adecuado, ya que las aguas no logran evacuarse cuando se presentan caudales máximos. Según los resultados arrojados por el Software para el segmento estudiado se puede concluir que hay un riesgo grande por inundación natural, debido a la disminución abrupta de la pendiente, ocasionando una perdida abrupta de la energía, depositando el material que trae aguas arriba y posteriormente ocasionando la inundación. Con los resultados obtenidos por HEC-RAS y por las visitas realizadas se concluye que en la zona el mayor riesgo natural está representado por inundación, erosion, socavación y sedimentación, en cuanto a la intervención antrópica, el mayor riesgo está centrado en la contaminación de la quebrada Al momento de ingresar la variable n de manning en el programa de HEC-RAS, cabe mencionar que este valor se toma diferente al comúnmente usado, esto debido a la cobertura vegetal presentada en las paredes del canal a lo largo del tramo de estudio.
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La abundante cobertura vegetal presente en los alrededores del canal de estudio tiene un efecto decreciente en la escorrentía producida por lluvias, por lo que aplacaría la intensidad y cantidad de agua que recibe el canal en cierto evento de precipitación. Se trata de promover el interés por las diferentes organizaciones en contribuir con la inversión para la mejora de la infraestructura y así disminuir los riesgos que pueda ocasionar un mal manejo. Se determinó como la zona de mayor peligrosidad dentro del tramo de estudio el éxito, en caso de la eventualidad de lluvias de gran intensidad que pueden producir caudales máximos, ya que el caudal se desbordaría inundando parte del sector, por ejemplo las vías circundantes, poniendo en peligro a las personas que las transitan.
REFERENCIAS
ALCALDÍA DE MEDELLÍN, SECRETARÍA DEL MEDIO AMBIENTE (2005). Formulación del plan de manejo de la microcuenca de la quebrada la presidenta, Convenio Número 4800000905, Quebrada La Presidenta Tomo I y Tomo II. Kraatz D. B., Revestimiento de Canales de Riego. Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación. Roma. 1977. Duarte Agudelo Carlos Arturo, Introducción a la Hidráulica de canales. Universidad Nacional de Colombia. 2009. Naia Leonardo S. Manual Basico de HEC-RAS 3.1.3 y HEC-GeoRAS 3.1.1, Universidad de Granada. 2007.
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