1XII Simposio Iberoamericano sobre planificacin de sistemas de abastecimiento ydrenaje

IDENTIFICACIN DEL ESCURRIMIENTO PLUVIAL CON LNEAS DECORRIENTE Y MICROCUENCAS GENERADAS EN EL HEC-GEOHMS EN

ZONAS URBANAS

Pedro Misael Albornoz Gngora (1), Jos Manuel Rodrguez Varela (2), Vctor Hugo Alcocer-Yamanaka (3), Jos Alberto Alonso Ovando (4), Humberto Vidal Russi (5)

(1) Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua, Paseo Cuauhnhuac no. 8532, Col. Progreso,Jiutepec, Mor., CP 62550, +52 (777) 329 3600, ptrsmsl@gmail.com.(2) Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua, Paseo Cuauhnhuac no. 8532, Col. Progreso,Jiutepec, Mor., CP 62550, +52 (777) 329 3600,manuel_rodriguez@tlaloc.imta.mx.(3) Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua, Paseo Cuauhnhuac no. 8532, Col. Progreso,Jiutepec, Mor., CP 62550, +52 (777) 329 3600, yamanaka@tlaloc.imta.mx.(4) Comisin de Agua Potable y Alcantarillado del Estado de Quintana Roo, Av.Efran Aguilar210 Col. Centro. Chetumal, QR, Mxico, C.P. 77000,+52 (983) 8350011, jalonso@capa.gob.mx.(5) Comisin de Agua Potable y Alcantarillado del Estado de Quintana Roo, Av.Efran Aguilar210 Col. Centro. Chetumal, QR, Mxico, C.P. 77000,+52 (983) 2853069, vidalrussi@hotmail.com

RESUMEN

En 2012 la Comisin de Agua Potable y Alcantarillado del Estado de Quintana Roo (CAPA) solicitacciones a corto, mediano y largo plazo para mitigar los problemas de inundacin y encharcamiento en laciudad de Chetumal, con base en lo anterior el presente estudio tiene por objetivo identificar las calles conescurrimiento pluvial importante y su respectiva rea de aportacin; las bocas de tormenta y colectorespluviales con mayor demanda de transporte pluvial. En hidrologa existen herramientas como el HEC-GeoHMS que genera cuencas y lneas de corriente partiendo del Modelo Digital de Elevacin (MDE) delterreno natural. Considerando en el MDE la traza urbana ycon la aplicacin de esta metodologa es posibleconocer los puntos problemticos, sus reas de aportacin, y la mejor ubicacin de infraestructura pluvialcomo bocas de tormenta y colectores sometidos a caudales importantes.

Palabras Clave:Alcantarillado Pluvial, Escurrimiento en zonas urbanas, Modelo de simulacin 2-D

ABSTRACT

In 2012 the Commission of Water Suppy and Sewerage of state of Quintana Roo (CAPA) requested actionsin the short, medium and long term to mitigate the problems of flooding and waterlogging in the city ofChetumal.Based on the above, the present study aims to identify the major storm runoff streets and their areaof contribution, storm drains and storm sewers transport demand more rain.In hydrology there are tools suchas HEC-GEOHMS generating watersheds and stream lines based on the Digital Elevation Model (DEM) ofthe natural. Whereas in the DEM the urban areas and the application of this methodology is possible to knowthe hot spots, areas of contribution, and the best location of stormwater infrastructure such as storm drainsand collectors that should lead large flows.

Keywords:Storm Sewer, Urban runoff, Model 2-D simulation

Pedro Misael Albornoz Gngora Realiz sus estudios de posgrado en ingeniera en la DEPFI - UNAMcampus Morelos, en donde obtuvo el grado de maestro en Ingeniera Hidrulica en el ao 2011 con mencinhonorfica, Actualmente es especialista en hidrulica en la Subcoordinacin de Hidrulica Urbana, susprincipales lneas de trabajo son: simulacin de redes de agua potable, alcantarillado sanitario y drenajepluvial. Ha participado como jefe de seis proyectos.

2ANTECEDENTES

Las reas urbanas propensas a inundacionesgeneralmenteson provocadas por inadecuadosprocesos de urbanizacin, que en muchas ocasionesse caracterizan por la ampliacin de la fronteraurbana en llanuras inundables y la densificacin deviviendas e infraestructura vial sin considerar lacapacidad de captacin de los drenajes de aguaslluvias, la canalizacin de cauces naturales y laconstruccin de obras necesarias para disminuir elpeligro de inundacin.

En particular el tipo de inundacin que le afecta a laciudad de Chetumal es de origen pluvial (no cruzanros en la zona), ver Figura 1, y se asocia a la faltade sistemas de drenaje en algunas zonas de laciudad, y presencia de basura en las calles lo queimpacta en le capacidad de desalojo de aguaspluviales de los colectores actuales.

La zona baja que est compuesta por cavernas ypresenta hundimientos, puede considerarse que loscolectores, bocas de tormenta y en general el drenajepluvial urbano estn en riesgo de sufrir daos porhundimientos.

Por tanto es importante emplear herramientas quenos permitan ubicar los puntos de la zona urbanadonde las obras de captacin funcionen de formaadecuada.

Figura 1. Ubicacin del Chetumal, QuintanaRoo, Mxico.

INTRODUCCIN.

La ciudad de Chetumal se encuentra ubicada alsureste de Mxico, en el estado de Quintana Roo, deacuerdo con el Censo del INEGI (2010) cuenta con244 553 habitantes que en periodos de lluvia (Julio Septiembre) provocan inundaciones, aunado a esto

se presentan la influencia de ciclones tropicales delmes de Junio a Noviembre.

Otros motivos que contribuyen a ests inundacioneses que la ciudad cuenta con mltiples microcuencasendorreicas, el nivel fretico va de 1 a 6 metros deprofundidad, la vegetacin genera hojarascas queobstruyen las rejillas de las bocas de tormenta, entreotros.

En el 2012 la Comisin de Agua Potable yAlcantarillado del Estado de Quintana Roo (CAPA)solicit acciones a corto, mediano y largo plazo paramitigar los problemas de inundacin yencharcamiento en la ciudad de Chetumal.

BASE CIENTFICO-TERICA

Ante estos problemas paraidentificar y caracterizarla cuenca urbana de estudio, se utiliz el HEC-GeoHMS, que es una herramienta geoespacialdesarrollada para uso de ingenieros e hidrlogos conexperiencia en un sistema de informacin geogrfica(SIG), utilizando el Arc View y el SpatialAnalystpara el desarrollo de modelos hidrolgicos conentradas que pueden ser visualizadas(USACE,2010).

Este programa transforma las trayectorias deldrenaje y delimita las cuencas hidrogrficas en unaestructura de datos hidrolgicos que representan lared completa.

Sin embargo cuando esta herramienta se aplica enzonas urbanas, la lnea de corriente ya no se vinculaa cauces, sino a calles de la ciudad.

Con base en lo anterior el motivo en este trabajo esidentificar las calles con mayores escurrimientos y elrea que lo aporta; con la finalidad poder ubicar lasprincipales bocas de tormentas.

METODOLOGA

Creacin del Modelo Digital de Elevaciones.

El elemento esencial a tener es el Modelo Digital deElevaciones (MDE), que ser nuestro punto de inicioen el proceso a realizar. Se encuentra definido por elInstituto Nacional de Estadstica Geogrfica eInformtica, INEGI (2013b) como unarepresentacin visual y matemtica de los valores de

3altura con respecto al nivel medio del mar, quepermite caracterizar las formas del relieve y loselementos u objetos presentes en el mismo.

Con la ayuda de este modelo se visualizan lascondiciones del terreno y zonas despobladas que nosaportandatos precisos, sin embargo para el caso decuencas urbanas se requiere considerar laurbanizacin, proceso llevado a cabo mediante lainclusin en el MDE de las calles, delimitndose lasmanzanas para tener un mejor anlisis.

Para el anlisis en SIG, el tamao de la celda delMDE se vuelve fundamental, para modeloshidrolgicos y trabajando con el terreno natural,Sharma et al. (2011) recomiendan realizar una mallade 90 x 90 metros, ya que capturasatisfactoriamente las condiciones del terreno ypermite una representacin cercana a la realidad,verFigura 2.

Figura 2. Terreno natural con la malla de90x90 metros.

Para el objetivo del artculo se requiere de una mallade dimensiones menores para un mejores resultados,para esto se realizaron diferentes tamaos de malla,utilizndose diferentes mallas,desde de 0.3 10metroscon el fin de obtener el escurrimientopluvial en calles, ver Figura 3.

En la actualidad existen herramientas que ayudan atener un MDE con alta definicin, como es el casodel Light Detection And Ranging(LiDAR) -Deteccin por luz y distancia que permiten tener unareduccin en los puntos de error ya que realiza convuelos para la captura de datos y tienen un controlgeodsico en la tierra (INEGI, 2013a)

Procesamiento del terreno.

Es comn emplear herramientas tales como elHEcGeo HMS y SpatialAnalyst (Hidrology) paraidentificar cuencas y lneas de corriente en terrenonatural con el modelo digital del terreno natural(Pacheco, 2012; Rodrguez y Gil, 2010 yRuiz &Torres, 2008)

Con base en lo anterior si empleamos la herramientaHEC-geoHMS con MDE que consideren la trazaurbana, es posible determinar las calles quefuncionan como lneas de drenaje urbano,calculndose los caudales y velocidades quepresentan, siendo importantes.

Este mtodo adems permiteubicar la construccinde bocas de tormenta en zona habitacionales oanalizar el escurrimiento actual de las calles y suszonas de aportacin.

Con el MDE que incluye las calles se inicia elprocesamiento del mismo con el fin de identificar lascalles con escurrimiento pluvial relevante y las reasde aportacin. Se realiza a travs de diezetapas,ocho de ellas emplean la Extensin para ArcGISHEC-GeoHMS, ficheroTerrainPreprocessing, verFigura 3 (USACE, 2010).

Figura 3. Primeras ocho etapas definidasdentro la extensin de la extensin para

ArcGis, HEC-GeoHMS.

Primera etapa (Fillsinks), consiste en rellenar lasdepresiones del MDE, donde se aumenta la cota delas celdas vecinas, asignndole a dicha celda lamenor cota de las celdas circundantes.

Segunda etapa (Flowdirection), se define ladireccin de la mayor pendiente, evaluando celda acelda las cortas circundantes del anlisis.

4Tercera etapa (Flowaccumulation), se determinan elnmero de celdas que drenan a cada celda, unaforma de calcularse manualmente es multiplicar elnmero de celdas por el rea de cada celda.

Cuarta etapa (Streamdefinition), etapa en la cual seclasifican las celdas con flujo procedente de unnmero mayor a un umbral definido por el usuariocomo pertenecientes a la red de drenaje.

Quinta etapa (StreamSegmentation), se dividen loscauces en segmentos

Sexta etapa (Catchmentgriddelineation) en la cual sedefinen las cuencas por cada segmento del cauce.

Sptima etapa (CatchmentPolygonProcessing),proceso convierte las subcuencas de ser malla a unformato de vector, con esto se conocen las reas deaportacin originadas por el escurrimiento quepuede producirse.

Octava etapa (Drainage line Processing), seconvierten los cauces de la malla a un formato devector.

Novena etapa (FeaturesVerticesTo Point), se creanpuntos con el archivo analizado basado en susvrtices, los atributos de entrada del archivo semantienen a la salida(ESRI; 2012).

Dcima etapa, analizar los puntos distribuidos en lazona urbana y determinacin de bocas de tormenta.

PRESENTACIN DE RESULTADOS

Caso de estudio, Cd. de Chetumal

Para caracterizar el escurrimiento de las calles en lacuenca urbana de Chetumal, se obtuvo el MDE queconsidera la traza urbana, verFigura 4 .

Con el MDE de la ciudad de Chetumal se sigue lametodologa previamente descrita, donde lasprimeras ocho etapas se realizan con la extensinHEC-Geo HMS para ArcGIS desarrollada por la USArmy Corps of Engineers(USACE).

Figura 4. MDE de la ciudad de Chetumal contraza urbana.

Chetumal Etapa uno, se genera el FillSinkconsiderando el valor de un metro en el ficheroFillThersholdy vacia la celda InputDerangedPolygon. Con esto minimizaremos que secorten de manera abrupta las lneas de corriente.

Figura 5. MDE antes y despus del FillSink.

Chetumal Etapa dos, en la generacindelFlowDirection se deja el fichero Input Outer WallPolygon vaco para nuestro estudio, en la Figura 6 seaprecian las zonas con pendiente nulas y que la

5topografa de la ciudad de Chetumal estconformada por mltiples microcuencas.

Figura 6. FlowDirection en el MDE deChetumal.

Chetumal Etapa tres, en la generacin delFlowacumulatin, en la Figura 7se muestran lasceldas (diferente al color gris) que reciben el caudalacumulado, se observa que las celdas de las callesestn entre las principales receptoras.

Figura 7. Flowacumulationen el MDE deChetumal.

Chetumal Etapa cuatro, en la generacin delStreamdefinition, se elige el rea de 0.01km2(AreaSqKmto define stream) correspondiente auna hectrea, esto con el fn de observar elescurrimiento en calles, verFigura 8, las celdascorrespondientes a dicha rea es 10 000 (celdas de1x1 metro). En caso de desear menos lneas decorriente pero con mayor acumulacin se debeaumentar el rea elegida.

Figura 8. StreamDefinition en el MDE deChetumal.

Chetumal Etapa cinco, en la generacin delStreamSegmentation las celdas InputSinkWatershedGrid e Input SinkLinsGrid se dejanvacas, son claros los grupos formados, verFigura 9.

Figura 9. StreamSegmentation en el MDE deChetumal.

Chetumal Etapa seis, en la generacin delCatchmentgriddelineationse muestran zonas que notienen celdas, esto se debe a que son las zonas msbajas y el agua se estanca en esos puntos por lo tantono se puede definir el sentido del escurrimiento,verFigura 10.

6Figura 10. Catchmentgriddelineation en elMDE de Chetumal.

Chetumal Etapa siete, en la generacin delCatchmentPolygonProcessingse muestran lasmicrocuencas considerados en la generacin de laslneas de corriente, verFigura 11.

Figura 11. CatchmentPolygonProcessing enel MDE de Chetumal.

Chetumal Etapa ocho, en la generacin del Drainageline Processingse muestran las lneas de corrientegeneradas y el sentido del flujo.

Figura 12. Drainage line Processing en elMDE de Chetumal.

De la Figura 12 se puede observar que las lneas decorriente no solamente se calcularon para la zona

urbana sino tambin para el rea natural conurbadaya que estas pudieran aportan caudal a la ciudad.

De igual forma es claro que en la zona urbana laslneas de corriente se adecuan al sentido de las callesno solamente por el trazo sino por sus pendientes.Esto se aprecia por los cambio de noventa gradoscomunes en la zona urbana, mientras que en las zonanaturales la lneas no tienen un patrn uniforme.

De igual forma es claro que dado que la ciudad deChetumal est conformada por muchasmicrocuencas endorreicas, tiene diversas zonasdonde convergen lneas de corriente de todos lossentidos y direcciones.

Novena etapa (FeaturesVerticesTo Point), con baseen las lneas de drenaje se conoce cules son lospuntos donde el escurrimiento converge, de talforma que se emplea esta herramienta para obtenersolamente los puntos de convergencia de la lnea decorriente (ArcGis, 2013), verFigura 13.

Figura 13. Puntos en la convergencia de laslneas de corriente.

Dcima etapa, con base en los puntos generados enla convergencia de las lneas de corriente se realizanlos siguientes filtros en el MDE.

Eliminar los puntos que se encuentran fuera de lazona urbana, unir los puntos que encuentran a unadistancia entre s menor a 10 metros.Despus de realizar los filtros, se redujeron lospuntos de 1727 a 746, estos puntos filtradosrestantes son los ms propensos a recibir el mayorcaudal y escurrimiento, por ende las zonas donde lasbocas de tormenta deben estar en ptimascondiciones, ver Figura 14.

7Figura 14. Puntos calculados para ubicar yanalizar las bocas de tormenta.

Con base en los puntos obtenidos se recomend a laComisin de Agua Potable y Alcantarillado deQuintana Roo, priorizar la revisin, limpieza ymantenimiento de las bocas de tormenta en dichospuntos.Con esta accin se disminuy el tiempo deresidencia de escurrimiento pluvial en las calles ycruceros, de igual manera los colectores fueronempleados a su mxima capacidad. En lo que va de2013 la ciudad de Chetumal ha presentado menoscasos de inundacin y encharcamiento, sin embargono ha sido suficiente, por lo que se estn diseandonuevos colectores para solucionar el problema, esimportante mencionar que dichos diseos consideranlas lneas de corriente en las calles, para quefunciones como colectores e interceptores.

ANLISIS DE RESULTADOS

Los resultados obtenidos muestran que la aplicacindel HEC-GeoHMS en zonas urbanas, es decir que elMDE considere la traza urbana, nos proporcionainformacin til para el diseo y entendimiento deldrenaje pluvial urbano.

Entre los principales resultados obtenidos estn lossiguientes:

Se debe considerar en el MDE el terreno naturalcolindante con la zona urbana, ya que elescurrimiento que puede provenir del mismo llega aser importante.

Se recomienda un MDE con mallas de 1x1 metropara conocer el escurrimiento en calles.

Se recomienda realizar el FillSinkcon valoresmenores a la altura mnima de los predios queconforman la calle (uno a dos metros).

El rea adecuada para calcular lneas de corrientecon una definicin al nivel de microcuencas es de0.01 km2, es decir una hectrea.

Es posible conocer cules son las calles donde elescurrimiento es mayor y son propensas a problemasde inundacin o encharcamiento.

Los puntos de convergencia de las lneas decorriente deben ser considerados prioritarios en eldiseo y ubicacin de las bocas de tormenta.

Se debe realizar el filtrado de los puntos deconvergencia con el fin de no duplicarinfraestructura (bocas de tormenta)

CONCLUSIONES

Para entender y conocer el escurrimiento pluvial enlas zonas urbanas, en particular en la calles, esprioritario tener el MDE.

Considerar que las vialidades son parte de la red dedrenaje pluvial urbana.

La ubicacin de la obras de captacin y bocas detormenta se deben obtener del anlisis de la lneas decorriente de escurrimiento superficial, esto con el finde optimizar el drenaje pluvial urbano.

Determinar la ubicacin de las bocas de tormentaempleando el HEC-GeoHMS o un sistema similartiene la ventaja que considera parmetroshidrulicos, tales como las microcuencas y lapendiente; situacin que no ocurre cuando solo setoma en cuenta las normas de construccin.

Con esta metodologa resulta sencillo ubicar culesson las calles ms propensas a tener problemas porpeligro de inundacin, tanto en tirantes comovelocidades, sin embargo se requiere un anlisis conlminas de precipitacin para cuantificar esainformacin y ese punto no fue objeto del presentetrabajo.

RECOMENDACIONES

Se deben aprovechar y promover herramientas comoel LiDAR, pero sobre todo hay que optimizar susresultados tales como MDE con alta definicin.

8Se debe considerar el terreno natural colindante, yaque el caudal que vierta en la zona urbana, puede serimportante.

Para conocer el drenaje pluvial urbano es precisocaracterizar la zona urbana, con base en suescurrimiento superficial en las calles.

Es importante ubicar y construir las bocas detormenta considerando mtodos como ste osimilares (que consideren el escurrimiento en calles).

Ubicar de forma adecuada infraestructura decaptacin permite que los colectores pluvialescumplan con el funcionamiento de diseo

TRABAJO FUTURO

Crear una rutina automtica para la ubicacin de lasbocas de tormenta.

Incluir el valor de la lmina de precipitacin paracalcular la capacidad recomendada para cada obra decaptacin o boca de tormenta.

Tomar en cuenta las lneas de corriente en callespara proponer un trazo ptimo de la red decolectores pluviales.

Vincular el trazo ptimo de la red y la capacidad decaptacin propuesta en las bocas de tormenta, de talmanera que se propongan reas de la seccintransversal en la red drenaje pluvial.

REFERENCIAS

Rodrguez Y. y Gil L. (2010).Modelo lluviaescurrimiento en la Cuenca del Reno. CieTcAgr, vol.19, pp. 31-37

Sharma A., Tiwari K. y Bhadoria P. (2011).Determining the optimum cell size ofdigital elevation model for hydrologicapplication. Journal of Earth SystemScience 120, pp. 573-582

USACE(2010). HEC-GeoHMS GeospatialHydrologic Modeling Extension.InstituteforWaterResources.

Pacheco R. (2012) Modelacin Hidrolgica conHEC HMS en Cuencas. Tesis de maestra.

Instituto Superior Politcnico Jos AntonioEcheverra, La Habana, Cuba.

ESRI (2012). Feature Vertices to Points.ArcGisDesktop9.3.http://webhelp.esri.com/arcgisdesktop/9.3/index.cfm?id=1725&pid=1715&topicname=Feature_Vertices_To_Points_(Data_Management).

INEGI (2010). Censo de Poblacin y Vivienda2010.INEGI. http://www.censo2010.org.mx/

INEGI (2013a). Aspectos tcnicos metodolgicos,tecnologa LiDAR. INEGI.http://www.inegi.org.mx/geo/contenidos/geodesia/lidar.aspx

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