Análisis estratégico sobre inundaciones en el entorno de Alginet (Valencia). C.H. del Júcar. Coordinación: Elena Martínez Ayuda a la coordinación: Silvia Cordero Realización: Olga Navarro Cuellas Antonio Peralta Rodríguez Máster de Ingeniería y Gestión del Agua. EOI 2009/2010
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Análisis estratégico sobre inundaciones en el
entorno de Alginet (Valencia). C.H. del Júcar.
Coordinación: Elena Martínez
Ayuda a la coordinación: Silvia Cordero
Realización:
Olga Navarro Cuellas
Antonio Peralta Rodríguez
Máster de Ingeniería y Gestión del Agua. EOI 2009/2010
Olga Navarro Cuellas
Antonio Peralta Rodríguez
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INDICE
1. Introducción
2. Objetivo
3. Ámbito del estudio
4. Análisis previos
5. Metodología del cálculo hidráulico
6. Hidrología
7. Estudio hidráulico
8. Resultados
9. Análisis de peligrosidad
10. Análisis de riesgos
11. Planteamiento de medidas
12. Conclusiones
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INTRODUCCIÓN
Delimitar el alcance de las aguas del río en una avenida para un determinado
periodo de retorno, es de extrema importancia para el planeamiento urbanístico,
socioeconómico y ambiental de cualquier tipo de zona. Pero un factor aun si
cabe más importante de la delimitación es poder evitar el riesgo que provoca
una avenida, dado que es riesgo natural más importante en España. La Directiva
2007/60/CE obliga a los Estados Miembros a la realización de un plan de gestión
del riesgo basado en la elaboración de mapas de peligrosidad y de riesgo.
El área de estudio del presente proyecto es la localidad de Alginet (Valencia),
ésta soporta constantes inundaciones debidas en parte a la climatología típica
del levante español, caracterizada por rápidas lluvias torrenciales, que unidas a
los usos del suelo y a la convergencia de varios barrancos adyacentes aguas
arriba, empeoran los problemas de inundaciones en la localidad.
El estudio se ha centrado en la delimitación de las zonas inundables en
diferentes tiempos de retorno, utilizando el modelo hidráulico bidimensional. La
consecución del estudio exigirá realizar un análisis exhaustivo de los datos
disponibles para realizar la modelización bidimensional de las zonas inundables
y determinar la peligrosidad y riesgos en el ámbito de estudio, con el fin de
llegar a una posible solución satisfactoria que favorezca a la localidad.
OBJETIVO
El objetivo prioritario es estudiar las inundaciones que sufre la población de
Alginet con el fin de realizar un análisis de riesgos y proponer soluciones para
reducir o paliar las zonas inundables.
ÁMBITO DE ESTUDIO
La localidad de Alginet se encuentra al suroeste de Valencia, muy próximo a la
Albufera Valenciana (Fig.1). Su ubicación está caracterizada por situarse aguas
abajo de un grupo de montañas con pendientes medias-elevadas y escasa
altitud, que generan 7 barrancos que convergen entre ellos hasta llegar al
pueblo de Alginet por 3 cursos diferentes.
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Figura1: Zona de estudio de Alginet
ANÁLISIS Y ESTUDIOS PREVIOS
Los análisis y estudios previos realizados antes de la consecución del modelo han
puesto de manifiesto la necesidad de una actuación más detallada del estudio de la
zona, para ello se han analizado varios estudios anteriores de la zona que se
detallan a continuación:
Patricova (Plan de acción territorial de carácter sectorial sobre prevención del
riesgo de inundación en la Comunidad Valenciana); Donde se han observado las
zonas de riesgo de inundación para diferentes tiempos de retorno, como zonas e
industrias de mayor peligrosidad. También incluye un plan de actuación y diseño
del encauzamiento integral del barranco de Alginet junto con sus afluentes.
EPRI (Evaluación Preliminar del Riesgo de Inundación): Esta evaluación
realizada por INCLAM, asume una serie de informaciones disponibles de
inundaciones ocurridas en el pasado y la evaluación de las consecuencias
potenciales adversas para el futuro, que ayudaran a acotar zonas de riesgo
significativo.
Para la determinación de la inundación es necesaria una representación
topográfica que se ajuste a la zona de una forma realista, solo de esta manera
la simulación pronosticará un suceso futuro de una manera fiable. Se han
analizado las siguientes capas de información:
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1.- La red hidrográfica de la zona para conocer drenajes y
comportamientos habituales del agua.
2.- El mapa geológico a escala 1:50.000 (MAGNA), que ayudará a
definir la posición y geomorfología de los diferentes torrentes y
zonas aluviales. Así mismo dará una idea de la litología y topografía
de la zona.
3.- Usos del suelo, tanto de zonas agropecuarias, urbanas e
industriales, como de infraestructuras de transporte (vías, canales
y ferrocarriles).
4.- Usos asociados a la exposición medioambiental y a bienes
históricos que han de ser protegidos y tomados en cuenta en todos
los estudios.
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METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO HIDRÁULICO
La metodología ha consistido en la construcción de modelos hidráulicos
bidimensionales. Estos modelos han recogido adecuadamente las características
de su funcionamiento hidráulico adaptadas a las hipótesis de cálculo de la
aplicación empleada.
Se ha realizado un estudio de detalle mediante el modelo bidimensional GUAD
1.0.0, lo que ha permitido estudiar con mayor precisión los niveles y velocidades
que alcanza el flujo de la lámina de agua en las zonas inundables. El modelo
GUAD 1.0.0 ha sido desarrollado por el Departamento de Mecánica de Fluidos de
la Universidad de Zaragoza en colaboración con el Departamento de I+D+I de
INCLAM, teniendo siempre en cuenta la influencia de los obstáculos al flujo y los
cambios de régimen.
El proceso seguido ha sido el siguiente:
Determinación de las zonas a estudio elegidas en base a los antecedentes de
inundaciones, prestando especial atención a los nuevos usos del suelo y obras
realizadas.
En un primer momento se realizaron varias secciones de la zona, para su
estudio por separado, la modelización de un área tan grande requiere la
subdivisión en varios modelos y la adecuación del tamaño de celda, con el fin de
cumplir con las exigencias del programa y con el tiempo para realizar el
estudio Se dividió en:
Aguas arriba de Alginet, zona más específica del canal Júcar-Turia, el
cual abastece a la ciudad de Valencia.
Otra zona fue dedicada en su totalidad al pueblo. Se acota al pueblo y a
la zona industrial, dado que se considera que hay un mayor riesgo
potencial por la exposición de bienes y personas. Las pérdidas
económicas también pueden ser elevadas debido a que la zona industrial
puede ser una de las zonas más afectadas. Por lo tanto, es donde se ha
centrado el análisis final del presente informe.
y una última zona aguas abajo del pueblo que llegaba hasta la albufera
valenciana y que aunque de extensión mayor no requería un estudio tan
profundo por la ausencia de zonas de alta peligrosidad.
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Montaje de los modelos bidimensionales correspondientes a las zonas
anteriormente descritas, para tener una visión global de la zona de estudio y
una mayor comprensión del comportamiento del agua en cada nueva
inundación.
En todo el proceso de montaje se han utilizado otros programas que han
ayudado al tratamiento y movilidad de la información, como el programa de
SIG; Mapinfo, FlowMaster, Ultraedit y el clásico Excel.
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HIDROLOGÍA
Para la determinación de los caudales se ha utilizado HEC-HMS, paquete
informático capaz de simular el funcionamiento de las unidades hidrológicas en las
que se ha dividido la zona de estudio. El dato de los caudales de una avenida es
fundamental para poder realizar el cálculo hidráulico, a partir de los diagramas HMS
generados se elaboran las entradas del modelo. Para este estudio es necesario el
cálculo de ciertos valores como son la superficie de cuenca, serie histórica de
lluvias, coeficiente de escorrentía…
Se centrará el estudio hidrológico en la zona del pueblo de Alginet y en la
confluencia de los ríos de la zona. Se realizará una entrada en la zona norte con el
fin de comprobar el buen funcionamiento de la derivación existente.
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ESTUDIO HIDRAULICO
Como ya se ha mencionado con anterioridad la modelización bidimensional con
el programa GUAD 1.0.0, se ha realizado en varias zonas, aunque en el trabajo
solo se expondrá la zona a estudio de la localidad de Alginet.
La modelización será bidimensional porque se ajusta más a la realidad que una
modelización unidimensional. La modelización unidimensional requiere que el
flujo a modelar sea básicamente unidimensional en cambio la zona tiene un
comportamiento claramente bidimensional, se trata de una zona llana y en
inundaciones de llanuras las líneas de corriente tienen direcciones diferentes al
eje del rio, además también hay zonas de confluencia de ríos. Merece la pena
utilizar el modelo bidimensional si se posee una buena información topográfica a
pesar de que el coste computacional sea mucho más elevado. El coste
computacional ha sido una de las principales limitaciones en el estudio, ya que
para reducir el tiempo de cálculo se han tenido que reducir el número de celdas
y acotar la zona con la mayor precisión posible, para poder pasar el modelo de
siete horas en un dia. Lo que ha provocado diferentes estudios previos antes de
poder modelizar el entorno de Alginet.
El GUAD 2 supone que el movimiento del fluido por los principios fundamentales
de conservación de la masa (ecuación de continuidad) y segunda ley de Newton
( principio fundamental de la dinámica) en dos direcciones horizontales, ya que
el grosor de la capa de fluido es pequeño comparado con la escala longitudinal
horizontal típica. Tomando como hipótesis fundamentales las siguientes:
las ondas que se producen en la superficie varían gradualmente,
las pérdidas por fricción en flujo transitorio no difieren mucho de las
mismas pérdidas en flujo estacionario
la pendiente promedio del fondo del cauce e puede ser aproximada por el
ángulo.
En términos matemáticos, adoptan la forma de ecuaciones en derivadas
parciales.
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donde h representa la profundidad del agua, hu y hv son los caudales unitarios a
lo largo de las direcciones coordenadas x, y respectivamente, Sox
, Soy
dan cuenta
de las variaciones del fondo del cauce en forma de pendiente.
y Sfx, S
fy constituyen los términos de fricción del agua con el fondo del cauce en
cada una de las direcciones coordenadas.
Se trata de un sistema hiperbólico no lineal de leyes de conservación. El
coeficiente de rugosidad de Manning n se determina a partir de valores que ya
han sido almacenados en tablas. Son necesarias condiciones iniciales y de
contorno para la resolución del sistema
El dominio donde se mueve el flujo, se subdivide, en un conjunto de celdas para
su resolución numérica. Esta discretización del dominio es la que forma la malla,
en el caso del GUAD2 la malla es cuadrada. Según las características de la zona
se eligirá un tamaño de celda, siempre atendiendo al número de celdas totales.
En zonas donde el gradiente de las variables que afectan al sistema es grande,
fundamentalmente atendiendo a la pendiente, el mallado debería de ser más
fino aumentando así el número de elementos y la potencia necesaria para
realizar el cálculo. El GUAD 2 tiene como característica que una vez introducidos
los parámetros y condiciones de contorno triangulariza en función de las
variables, debido a que los triangulos se acoplan mejor a las condiciones del
terreno. Hay que tener en cuenta el lado máximo del triangulo no pudiendo
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superar 10 veces al lado de la celda, 20 m, y el error máximo de cota, que nos
da una idea de la precisión, y es de 0.20m.
Para crear el módelo los datos necesarios son:
Terreno: el MDT con edificios con un tamaño de celda de 2x2(m).Se ha
ajustado el tamaño de la celda, al número total que se necesita para poder
realizar el cálculo en el tiempo requerido, es decir, 2 millones de celdas para
poder modelizar 7 horas en un día. Obtenido con cartografía lidar del PNOA
(Plan Nacional de Ortofotogrametría aérea, 2009) de 1m de paso de malla y
0.15 cm de precisión
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Mapa de rugosidades: la fricción de las dos direcciones de flujo es necesaria
para la resolución del sistema, empleando este parametro para definir las
distintas zonas. Nº de manning se obtiene a partir del nº de curva del estudio
hidrológico. Se ha elaborado reclasificando el grid de número de curva a partir
de los datos de este y la ortofoto.
Figura2: Mapa de friccion
En el mapa anterior se observan las diferentes rugosidades para las diferentes
zonas, asi por ejemplo el cauce tendrá una rugosidad diferente a su paso por el
pueblo debido a que está encauzado.
Condiciones de contorno:
Entradas Q(h): Las entradas son las obtenidas en HMS para los diferentes
periodos de retorno. Antes de introducir los datos como caudal vs tiempo, hay
que delimitar el tiempo, para que el proceso computacional no sea demasiado
largo, y partiendo de la base que el tiempo de concentración no es muy elevado.
La delimitación se realiza enfrentando los hidrogramas de entrada con el de
salida y se limita la curva a los momentos en que los caudales son mínimos.
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Figura3: hidrograma entradas y salida principal
El tiempo será el mismo para los diferentes periodos de retorno, la avenida va a
funcionar de la misma manera pero aumentando sus caudales a medida que
aumenta el periodo de retorno. Se acota a 7 horas entre las 11 y las 18. Que en
el hidrograma anterior será entre el minuto 660 y 1080 (el caudal punta está
dentro de este rango).
Figura 4: Ejemplo de hidrograma en entrada
0
20
40
60
80
100
120
140
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
T025 J036
T025 J024
T025 J017
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Salidas: Las salidas de la zona de estudio son las obras de drenaje
transversales de A7 las cuales se han tenido que reperfilar debido al cambio del
tamaño de celda. Al aumentar su tamaño el programa recalcula la cota
interpolando los valores de manera que las salidas pueden aparecer cerradas.
Por lo que habrá que reperfilar las que lo necesiten. En las salidas en las que se
considera necesario un estudio óptimo, porque se ha comprobado previamente
que son zonas inundables, se utiliza el FlowMaster (software de diseño y análisis
hidraulico) Este nos da la relación cota-caudal en régimen permanente, es decir
no hay variación del calado y de la velocidad con el tiempo. Para ello hay que
introducir tanto el número de manning como la pendiente del cauce, siendo el
numero de manning 0.03 para el cauce y 0.045 para la ribera. La pendiente se
estima por diferencia de cotas. Se impone por lo tanto un caudal por cota a las
celdas. En todas las salidas el flujo se considerará unidimensional ya que son
salidas muy bien definidas. De esta forma se puede saber si sobrepasan las
velocidades máximas y predecir los daños que puede causar una avenida por
erosión o por aterramiento.
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Figura5:curva, tabla y sección obtenidos en Flow-Master
En las obras de desagüe donde se prevé que no va a haber tanto problema se
utiliza el calado crítico, debido a que éstas están diseñadas partiendo de calado
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crítico, imponiendo esta salida se observará si las obras de desagüe están
diseñadas de una manera correcta o si por el contrario habrá que hacer un
estudio más profundo. El calado crítico se denomina al calado donde la energía
es minima y el régimen critico. Es decir, cuando el numero de Froude=1. Por lo
que lo introducimos con el fin de sintetizar cálculos y porque no son necesarios
dado que probablemente estas salidas no vayan a tener mucha influencia.
Tanto en las salidas como en las entradas, es completamente necesario indicar
la dirección del flujo.
Como condición interna solo se realizará un puente, el que se considera que va
a tener más influencia en la zona inundable. La representación se hará en Excel
atendiendo a las cotas y a las dimensiones del mismo, de manera que encaje
perfectamente con la salida. Será necesario representarlo tanto aguas arriba
como aguas abajo no influyendo sobré el cálculo la orientación del mismo,
debido a que para la resolución del sistema el GUAD2 calcula neta de salida. Por
falta de datos en el dimensionamiento del mismo y tras diferentes pruebas
ensayo y error se obtiene que la salida más realista del mismo se hará con las
áreas calculadas, de esta forma se ajusta más a la realidad, se trata de un
puente telescópico lo cual ha dificultado bastante la representación del mismo.
Se impondrá la curva caudal-altura calculada por el FlowMaster como
condición. Los coeficientes utilizados para su buen funcionamiento son los
siguientes:
COEFICIENTE DE VERTIDO: 1.4
RUGOSIDAD: 0.015 hormigón (con vegetación 0.04)
Tabla 1: parámetros puente
PEQUEÑA NORMAL GRANDE
ENTRADA 0.1 0.3 0.5
SALIDA 0.3 0.5 0.8
COEFICIENTE DE PERDIDAS PARA OBSTRUCCIÓN
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Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento.6: A la izquierda, vista del puente aguas arriba y abajo A la derecha vista del programa GUAD 1.0.0 con la construcción
del puente terminada
Será necesario triangularizar antes y después de la introducción del puente.
Figura7: Entradas-Salidas
En la ilustración anterior se pueden observar tanto las entradas como las salidas
del flujo con su dirección. En azul las 4 entradas donde se ha impuesto Q(t) de
condición y en rojo las zonas de drenaje, donde para alguna de ellas se han
impuesto Q(h) y para otras calado critico.
Condiciones iniciales: Al tratarse de una rambla no se considera ningún flujo
base, no hay caudal base, la condición será seco.
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Para proceder a la simulación habrá que indicar la hora de inicio, la de fin y el
intervalo de volcado. Se ha estudiado para unas 7 horas con un intervalo de
volcado de 15 min.
RESULTADOS
El estudio realizado sobre las distintas modelizaciones con periodos de retorno de
25, 100 y 500 años, han puesto de manifiesto los problemas de la localidad para
asumir determinados volúmenes de agua.
T-25 (tiempo de retorno de 25 años); Para T-25 (fig.8)las inundaciones en las
zonas aledañas a la localidad son visibles. El polígono situado al suroeste de la
localidad junto con la interjección de las dos ramblas a su paso por la autovía A-7,
son las partes más problemáticas, donde se concentran los valores más altos de
calado y velocidad. Esta acumulación de agua en las zonas nombradas, están
causadas en parte por la misma autovía y por otras barreras físicas, como es el
polígono industrial, que reducen la infiltración y frenan el paso natural de las
avenidas.
Figura 8: Ortofoto de Alginet con los resultados de calados para T-25
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Figura9: Salida antes de puente
El hidrograma anterior pertenece a una seccion aguas arriba del puente principal.
Se observa que el caudal punta es de 56m3/s. Si se compara con los hidrogramas
de las entradas, se observa que llega mucho menos caudal del que entra, por lo
tanto parte del agua se ha perdido por el camino, se ha laminado. La figura de
abajo es la misma sección en versión animado y se refleja como a lo largo de esas
7horas se encharca aguas arriba, pasando por un calado máximo y como cuando
pasa la punta del hidrograma el calado empieza a disminuir.
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Figura 10: Salida antes del puente
T-100; Para el tiempo de retorno de 100 años (fig.11), el escenario anterior vuelve
a repetirse, pero esta vez la acumulación de agua empieza a extenderse por el
suroeste de la localidad con calados y velocidades mayores que las de T-25, causa
en parte de las mismas barreras antropogénicas anteriores, sumando en este caso
la acción que genera el ferrocarril de la localidad, que se encuentra situado en el
extremo suroeste de la localidad y que empieza a generar problemas de
acumulación de agua en toda la zona de Alginet que lo circunda. En el polígono
industrial sur la situación se ha vuelto critica, ya que el agua empieza a rebasar los
taludes de la autovía A-7. En el extremo norte empieza a haber calados y
velocidades menores, pero también los problemas empiezan a ser visibles en el
polígono industrial que se encuentra en esta zona.
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Figura11: Ortofoto de Alginet con los resultados de calados para T-100
Figura 12: Pueblo inundado
En la foto anterior hay una vista general del pueblo, el cual comienza a inundarse a
un T=100. Aunque los calados no son importantes, ya puede empezar a preverse
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que va a pasar para periodos de retorno más grandes. En la sección animada
inferior pasa lo mismo con la autopista A-7 a la altura del polígono industrial. La
cota de agua sobrepasa la autopista aunque con poco calado.
Figura 13: Autovia A-7.
T-500; El tiempo de retorno de 500 años (fig.14), muestra un escenario bien
distinto, ya que prácticamente la totalidad de Alginet se encuentra inundada con
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calados y velocidades mayores en el sur-suroeste de la localidad. Los problemas se
concentran en las inmediaciones de la autovía A-7 que actúa de tapón para la
evacuación normal de las aguas. Esta vez en el polígono sur de Alginet la situación
empeora aún más, llegando a saltar el agua hasta un metro la autovía A-7. En la
mitad norte de la localidad las inundaciones persisten y se extienden aunque los
calados y velocidades siguen siendo menores (exceptuando los cauces y
canalizaciones).
Figura14: Ortofoto de Alginet con los resultados de calados para T-500
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Figura 15: Autovía A-7
La autovía a este periodo de retorno tendrá un calado bastante superior que al del
periodo de retorno de 100 años donde se empezaba a inundar pero no de una
forma tan exagerada. La sobreelevación sobre el nivel de la carretera será
aproximadamente 40 cm, un calado ya bastante importante.
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Figura16: Puente
La zona del puente queda completamente encharcada, el puente por lo tanto no
tendrá capacidad suficiente como para desaguar, lo que habrá que tener en cuenta
a la hora de tomar medidas.
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Figura17: Pueblo
Figura18: Pueblo
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En la imagen anterior se observa perfectamente como el casco urbano y los
alrededores están inundados, pero lo más curioso de la imagen es como el
programa es capaz de representar la dirección que toma el flujo del agua mediante
flechas. Esta imagen concuerda perfectamente con la sección animada del pueblo
donde se puede ver la evolución de la avenida, llegando a calados de medio metro.
En la siguiente tabla se observan los calados y velocidades máximas obtenidas para
los 3 periodos de retorno en puntos que se consideran críticos.
Tabla 2: velocidades y calados
Se observa perfectamente como los máximos se encuentran en los cauces como es
de suponer y como hay zonas remansadas con velocidades muy bajas y calados