Anlisis hidrolgico e hidrulicoy de transporte de sedimentos en cauces efmeros

Mara Dolores Marn Martn, Luis Gerardo Castillo ElsitdiGrupo de investigacin Hidr@m - Ingeniera Hidrulica, Martima y Medioambiental

Escuela de Ingeniera de Caminos y de MinasPaseo Alfonso XIII, N 52,30203 Cartagena (Espaa)

Telfono: 968327012E-mail: mdolores.marin@upct.es.luis.castillo@upct.es

Resumen. Se requiere analizar el comportamiento hidrolgico e hidrulico y de transporte desedimentos de los cauces efimeros propios de zonas semiridas, con el objetivo de poder disearsistemas efectivos de controly captacin deflujos en estos lugares. En principio, las zonas semiridasse caracterizan por contar con una pluviometria irregular y una cobertura vegetal reducida o casiausente, hecho que se viene agravandopor el cambio climtico, que estprovocando un efecto directosobre la frecuencia e intensidad de la precipitacin, producindose lluvias ms intensas y menosfrecuentes. En el siguiente artculo se presenta el anlisis hidrolgico e hidrulico y de transporte desedimentos en la cuenca del Mergajn, cuenca semirida del Campo de Cartagena.

1 Introduccin

Los flujos torrenciales que se presentanocasionalmente en las ramblas de la geografiapeninsular, provocan grandes inundaciones quetienen unos efectos muy destructivos sobre el medioy las personas. Estos flujos no pueden captarse conlos sistemas habituales presa-embalse, ya que laelevada concentracin de sedimentos los inutilizaraen poco tiempo. Por ello es preciso la construccin desistemas especficos de control y captacin de estetipo de flujos.

Para definir los parmetros de diseo de estossistemas es imprescindible caracterizar las cuencas yros efimeros donde se situarn las estructuras. Estoes, conocer su hidrologa, su hidrulica y lacuantificacin del transporte de sedimentos quepresentan. Algunos de los objetivos del trabajo que elgrupo Hidr@m est llevando a cabo es profundizaren el conocimiento de la hidrologa de las cuencassemiridas y validar la metodologa elaborada porCastillo et al. (2000 y 2009) y Castillo (2007),generalizndola para su aplicacin en estas zonas.

Atendiendo a la problemtica citada y basndonos enlos principales resultados que de estos estudios se hapublicado (Castillo y Marn, 2010), se presentan eneste artculo el anlisis de los principales resultadosobtenidos en el clculo hidrolgico, hidrulico y detransporte de sedimentos en la Rambla del Mergajn(Campo de Cartagena, Murcia).

2 Anlisis hidrolgico de la cuenca

La rambla del Mergajn es una de las subcuencas decabecera que componen la Rambla del Albujn,drenaje natural del Campo de Cartagena.

Con un rea de 52 km2 y una pendiente mediaprxima al 3%, ha sido seleccionada para laaplicacin de la metodologa elaborada para elBarranco de las Angustias (Isla de la Palma), dado lasemejanza que ambas presentan, tanto en suscaractersticas geomorfolgicas (rea y pendiente),como en las precipitaciones mximas diarias (Pd) endiferentes perodos de retomo (Ver tabla 1).

Tabla l. Comparativa caractersticas Mergajn y lasAngustias.

A S DI6 I D50 I D84 Pd(knl) (%) (mm) T 1.4 T 50 T 500

I Mergajn 52 2.7 0.6 I 3.5 I 14 92 176 257I Angustias 56 3.9 1.3 I 28 I 870 101 257 344En la caracterizacin hidrolgica de la cuenca se hanempleado dos tipos de programas diferentes: (1) elprograma HEC-HMS v 3.3 (2008), desarrollado porel U.S. Army Corps of Engineers de los EstadosUnidos (USACE), que permite la modelizacinagregada y semidistribuida, y (2) el programa MIKESHE (DHI), desarrollado por el DHI Water &Environment, que permite la modelizacinfsicamente basada y distribuida del ciclo integral delagua, incluyendo los procesos de evapotranspiracin,flujo superficial, flujo en zona no saturada, flujosubterrneo y flujo el lmina libre, as como lasinterrelaciones entre ellos. (Figura 1).

En la construccin del modelo HEC-HMS se emple,por una parte, el modelo emprico del SoilConservation Service (SCS) para el clculo deprdidas por infiltracin, por ser el ms extendido,experimentado, y contar con estudios propios enEspaa. Estos relacionan el nmero de curva (CN),con el valor del parmetro (Po), umbral de escorrentadefinido por Tmez (1987). Por otra parte, dada laescasa informacin existente sobre eventos reales en

la cuenca se utiliz el hidro grama unitario del SCSpara la transformacin lluvia-escorrenta, calculandoel del tiempo de retardo (T1ag) con la expresinpropuesta por Tmez (1987). y por ltimo, el mtodode Muskingum-Cunge para el trnsito de los caudalespor su fcil implementacin.

En cuanto a la implementacin del modelo de MIKESHE, como primera aproximacin solo se ha tenidoen cuenta el mdulo de flujo superficial para lasimulacin de un evento. Este mdulo resuelve,mediante el mtodo de las diferencias finitas, laaproximacin de la onda difusiva. Los parmetros delmodelo han sido equivalentes a los empleados en elHMS, as, el valor del parmetro "detention storagevalue" (DS) ha sido asimilado al valor dePo.

Para los dos modelos elaborados se ha empleado lamisma topografa, un Modelo Digital del Terreno de4x4 m del ao 2009 elaborado como parte delproyecto Natmur-08 (Consejera de DesarrolloSostenible y Ordenacin del Territorio de la Reginde Murcia), y los mismos parmetros de entrada encuanto a distribucin espacial y temporal deprecipitaciones. Se ha considerado una tormenta deproyecto de 24 h, cuya distribucin espacial sigue unpatrn de lluvias que se corresponde con la forma enque se presentan los eventos en la zona de estudio, ycuyo valor acumulado es la precipitacin mximadiaria Pdv calculada estadsticamente con datos de1933 a 2009, para cada periodo de retomo.

Los resultados obtenidos para ambos modelos semuestran en la tabla 2. En ella se pueden comprobarla similitud de los resultados obtenidos en losperiodos de retomo (Tu YT50) y su dispersin (T500)

Figura 1.Modelos HEC-HMS y MIKE SHE.

Tabla 2. Comparativa variables y caudales mximos.

Tu T 50 T 500DS =Po (mm) leN 14 I 78 14 I 78 14 I 78HEC HMS Qmax (rn'zs) 14 422 701Mike SHE Qmax (rrr'zs) 24.2 420.8 558.9

3 Anlisis hidrulico de la cuenca

Teniendo en cuenta los resultados, y lasrecomendaciones de autores como Salas (2000) sobrela idoneidad del uso de modelos distribuidos encuencas semiridas, se realiz la caracterizacin

hidrulica del cauce con los datos de caudal mximoobtenidos con HEC-HMS.

El clculo de las caractersticas de flujo para uncaudal determinado depende fundamentalmente, aparte de la seccin transversal y la pendientelongitudinal, del coeficiente de resistencia. En el casodel Mergajn los principales valores geomtricos son:ancho inferior (9.20 m), pendiente de cajerosizquierdo y derecha [1:3.6 (V:H)] y pendiente medialongitudinal ==0.027.

En primera instancia, en base a las caractersticas delmaterial del fondo, se comprob que para el caso delMergajn nos encontrbamos ante un flujomacrorrugoso no hiperconcentrado, sin resistencia deformas por fondo, y en el que se presentaba unfenmeno de acorazamiento.

Posteriormente, aplicando las 9 expresiones decoeficiente de resistencia recogidas en la metodologacitada, se calcul el coeficiente de resistencia mediopara cada periodo de retomo, y se compar con elobtenido en Las Angustias. (Figura 2). Se observcierta tendencia en los valores a disminuir a medidaque aumenta el caudal, si bien esta propensin esmucho menos pronunciada que la que presenta elBarranco de las Angustias (nmedio representado poruna lnea a trazos largos), ya que en el caso de lasAngustias se trataba de un flujo hiperconcentrado.

O.080t--------=-,._,_~--~--------__4--- ---- __ -----0-060t-'---~cc_--------------__4..... _-------- ------------------.

0.040t------------------__4

0.020 ~~:.==I=r===::======:-::J~0.000 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - COsalid"o' (ni1s)

100 200 300 400 500 600 700 800

Figura 2. Coeficientes de Manning n en funcin delcaudal. Rambla del Mergajn y de las Angustias.

3 Transporte de sedimentos

Para el clculo del transporte de sedimentos, lainformacin bsica necesaria es de dos tipos, una detipo granulomtrico del material del lecho del cauce(dimetros caractersticos) y, otra de tipo hidrulico,a travs de las caractersticas de flujo. Mediante elmuestreo de campo y la obtencin de curvasgranulomtricas, se establece las caractersticas delmaterial del fondo "bed load". En el caso de laRambla del Mergajn y de las Angustias, losdimetros caractersticos difieren sensiblemente.(Tabla 1).

Mediante un proceso iterativo se llev a cabo elacoplamiento de las caractersticas hidrulicas con las

formulaciones de transporte de sedimentos.Siguiendo la misma metodologa citada de Castillo etal. (2009), se evaluaron para el Mergajn un total de12 expresiones, obteniendo el valor medio deltransporte de sedimentos para cada periodo deretomo (Figura 3), y se compararon con losresultados obtenidos en Las Angustias, siendo estosvalores mayores que los del Mergajn (Figura 4).

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