Escorrentía y transporte sólido en la cuenca torrencial de la riera de las arenas. Metodología de investigación y primeros resultados

Ingeniería del Agua. Vol. 3 Num. 3 (septiembre 1996) p. 29 ESCORRENTÍA Y TRANSPORTE SÓLIDO EN LA CUENCA TORRENCIAL DE LA RIERA DE LAS ARENAS Metodología de investigación y primeros resultados 1J.P. Martín; 1D. Niñerola; 1A. Bateman; 2L. Gómez 1E.T.S.I.C.C.P. Universitat Politécnica de Catalunya. 2Facultad de Geografía. Universidad de Barcelona. RESUMEN: Algunos ríos de la cuenca mediterránea española se caracterizan por ser de escasa longitud, gran pendiente y carácter torrencial, en sentido meteorológico, hidrológico e hidráulico, causando avenidas catastróficas. El artículo presenta el estudio realizado en la riera de Las Arenas durante tres años y medio con el objetivo de cuantificar el caudal y el transporte sólido de fondo en avenidas. Se trata especialmente la instrumentación de la cuenca (pluviómetros, pluviógrafos, estación de aforos y trampa de sedimentos), la calibración de los instrumentos e instalaciones (incluyendo un modelo reducido), los primeros datos obtenidos en las 6 avenidas registradas y un análisis hidrológico mediante el modelo HEC 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN Este artículo presenta una investigación, en curso desde 1990, cuya base es el trabajo de campo en una cuenca hidrológica torrencial, tomada al efecto como cuenca experimental. Los objetivos de estudio y las metodologías de medida se han ido desarrollando al compás de la observación y del análisis hidrológico. El artículo destaca las cuestiones metodológicas, pero apunta también los primeros datos y análisis. Se pretende continuar la investigación a largo plazo para recolectar un buen número de episodios y así hacer en el futuro un mejor análisis de los sucesos y un análisis hidrológico de su frecuencia. La dificultad de la investigación proviene del carácter torrencial, buscado al elegir la cuenca. Esta torrencialidad se caracteriza por los siguientes aspectos: 1) la causa meteorológica: la intensidad de los aguaceros es muy alta en el litoral del mar mediterráneo, en Levante y Cataluña, como resultado de tormentas convectivas principalmente. Las cantidades diarias máximas de precipitación esperadas con un período de retorno de 10 años son de 105 mm en Barcelona (e intensidad máxima durante una hora mayor de 1 mm/min), hasta 260 mm en otras partes del Levante, frente a 45 mm en el centro de la Península (Toledo) (Martín Vide, 1992) . 2) la respuesta hidrológica: las cuencas pequeñas, al pie de las cordillera Prelitoral y Litoral de Cataluña, concentran rápidamente la escorrentía dando lugar a avenidas súbitas con caudales muy elevados en tiempos muy cortos, bajo tormentas intensas en verano y otoño especialmente. Estas cuencas sufren también una gran presión urbanizadora, lo que agudiza la respuesta hidrológica. Artículo recibido el 8 de enero de 1996 y aceptado para su publicación el 25 de marzo de 1996. Pueden ser remitidas discusiones sobre el artículo hasta seis meses después de la publicación del mismo. En el caso de ser aceptadas, las discusiones serán publicadas conjuntamente con la respuesta de los autores en el primer número de la revista que aparezca una vez transcurrido el plazo indicado . ESCORRENTÍA Y TRANSPORTE SÓLIDO EN UNA CUENCA Ingeniería del Agua. Vol. 3 Num. 3 (septiembre 1996) p. 30 3) la respuesta hidráulica: los cauces de estos ríos son de gran pendiente (por ej. del 1 al 3%), de modo que las aguas circulan en régimen rápido y con una gran capacidad de transporte sólido debido a la alta velocidad. Los volúmenes de sedimento movilizados por una avenida son muy altos. Por causa hidráulica, o bien hidrológica, el flujo en avenida se presenta a veces en oleadas o frentes de onda. En estrecha relación con la torrencialidad hay que destacar también: 4) algunas características geomorfológicas de estas cuencas: a) por razones geológicas y climáticas, algunos cursos son efímeros en sentido hidrológico, pues sólo presentan escorrentía en sucesos de precipitación muy intensa, manteniéndose secos todo el resto del tiempo. Este hecho, asociado normalmente a zonas áridas, ocurre también en regiones semihúmedas como Cataluña. El carácter esporádico del flujo condiciona fuertemente la metodología de las medidas hidrológicas e hidráulicas, b) los cauces están constituidos por materiales granulares, arenas y gravas, en cantidad ilimitada, disponibles para el transporte. Esto explica también los grandes volúmenes de acarreos movidos en las avenidas y la inestabilidad del propio cauce. Desde el punto de vista de la ingeniería civil, las avenidas en estas cuencas torrenciales son temibles por motivos específicos como son: la falta de tiempo para reaccionar, las acciones mecánicas de la corriente torrencial (agua y sólidos) y el desarrollo de erosiones transitorias generales y locales que amenazan las obras de encauzamiento y las infraestructuras. La concentración de población y actividades económicas en el litoral es una tendencia constante que agrava los efectos de estas avenidas. Los objetivos del proyecto de investigación son dos: 1) la cuantificación de la escorrentía o caudal en el cauce, en sucesos de precipitación intensa (objetivo hidrológico) y 2) la cuantificación del material sólido transportado por la corriente, especialmente como transporte de fondo, en relación al caudal de agua en avenidas (objetivo hidráulico). Estos objetivos se formulan en vista del desconocimiento sobre hidrología e hidráulica torrencial de cuencas mediterráneas en nuestro país, quizá por las dificultades de observación y medida a causa de su funcionamiento “explosivo”. Se persigue la aplicación de este conocimiento a la ingeniería civil en cuestiones como la modelación hidrológica lluvia-escorrentía, el caudal de diseño y el caudal sólido para el análisis de obras en lecho erosionable vivo (pilas de puente, muros de encauzamiento) o los volúmenes permisibles de extracción de áridos. DESCRIPCIÓN DE LA CUENCA La riera de Las Arenas es un afluente del río Llobregat en la vertiente sur de la cadena prelitoral catalana, muy cerca de Barcelona (Figura 1). Los límites superiores de la cuenca forman una orla montañosa que alcanza la cota 1104 m (Figura 2). Esta parte alta de la cuenca, integrada en el Parque Natural de Sant Llorenç del 1. Riera de LAS ARENAS 2. Riera de PALAU 3. Riera de RUBÍ 4. Río LLOBREGAT Figura 1 Situación de la riera de Las Arenas ESCORRENTÍA Y TRANSPORTE SÓLIDO EN UNA CUENCA Ingeniería del Agua. Vol. 3 Num. 3 (septiembre 1996) p. 31 Munt está cubierta de bosque mediterráneo, y afloran en superficie conglomerados de gravas y bolos con cemento arcilloso y calcáreo muy disgregados. La urbanización de tipo residencial unifamiliar ha ido ocupando las faldas del parque hasta la cota 600 m aproximadamente. En la cota 400 m comienza una cuenca netamente urbana: en este lugar se estableció una sección de observación en el cauce (Figura 2, punto 6) donde se clavaron estacas de control; el área de la cuenca contribuyente en este punto es de 23.9 km2 y la longitud de curso 12.6 km, con pendientes del 3.6 al 3.2% (Figura 3). El resto de la cuenca es una estrecha faja de la ciudad de Terrassa, que es bordeada por el río, el cual va encauzado mediante dos muros que definen una anchura de 50 m. La longitud del río en este tramo es 5.7 km, la pendiente del 3.2 al 2.0% y el área total de la cuenca en el punto de desembocadura es 30 km2, donde la riera confluye con la riera de Palau y forma la riera de Rubí (Figura 1). En este lugar se construyó la estación de aforos y trampa de sedimentos (Figura 2, punto 11). Es notable la pendiente tan elevada del cauce, así como su funcionamiento esporádico. El lecho es muy permeable: ensayos in situ dieron valores de permeabilidad de 0.005 a 0.01 cm/s. La frecuencia de circulación de agua en el cauce es muy baja (quizá cinco veces al año en promedio). Las aguas perdidas recargan el acuífero del Valles y alimentan la riera de Palau, de menor cuenca vertiente, con cauce a cota más baja y con un régimen hidrológico casi permanente. Los ensayos granulométricos realizados en el cauce a la salida de la cuenca, sobre una muestra subsuperficial de unos 320 kg de peso, dieron una distribución granulométrica bimodal (Figura 4) con presencia destacada de gravas finas y de gravas gruesas. Añadiendo a la distribución los bolos de la muestra superiores al tamiz máximo, . Figura 2 Plano de la cuenca con los instrumentos de medida ESCORRENTÍA Y TRANSPORTE SÓLIDO EN UNA CUENCA Ingeniería del Agua. Vol. 3 Num. 3 (septiembre 1996) p. 32 Figura4 Distribucion granulometrica del material del cauce menor de 125 mm cubicados in situ, el tamaño medio Dm es 30 mm, así como D50=8 mm y la desviación típica granulométrica σ=√(D84/D16)=6.7. Se trata de un lecho de gravas de granulometría bastante extendida. Comparando con una muestra superficial, el lecho no se encuentra acorazado tras una avenida. Las avenidas más importantes ocurridas en los últimos años son las de 1962 y 1971. En la primera murieron 973 personas y fueron muy elevados los daños materiales. La precipitación total el 25 de Septiembre de 1962 sobre la cuenca fue de 180 a 220 mm (Rosselló, 1992). En un observatorio cercano (Sabadell) se registró una intensidad más de media hora. El caudal máximo que se ha estimado para esta avenida en el punto 6 es 320 m3/s, mientras que el caudal sólido durante la punta de la avenida pudo alcanzar hasta un 38% en volumen según cálculos teóricos (López Bustos, 1964). La segunda avenida, en los días 19 a 21 de Septiembre de 1971, no fue tan grave. Las cantidades totales de precipitación en la cuenca fueron de 100 a 130 mm/día, con valores máximos de intensidad de 70 mm/h. EQUIPAMIENTO E INSTRUMENTACIÓN DE MEDIDA La cuenca de la riera de Las renas ha sido equipada a tenor de los objetivos hidrológico e hidráulico señalados. En primer lugar se han instalado 2 pluviómetros automáticos y 2 pluviógrafos para la medida de la precipitación (Figura 2). Los pluviómetros son de tipo balancín (cazoletas basculantes) con una superficie colectora de 0.05 m2 y una resolución de 0.02 mm (Figura 5). Cada vuelco del balancín cierra un contacto con el cual el instante queda grabado en un recolector de datos. Este es alimentado con una batería recargable con duración mínima de 8 meses, ya que mientras no llueve el consumo de energía es prácticamente nulo. Como elemento de comprobación se instala un recipiente totalizador del agua que ha pasado por el pluviómetro. La lectura de datos se hace con un ordenador personal portable. Los pluviógrafos tienen una superficie colectora de 0.02 m2 dando un registro gráfico continuo a lo largo del tiempo, definido por la subida de una boya, hasta completar un pequeño depósito de 10 mm, que se vacía por un sifón. Figura 3 Perfil longitudinal de la riera de Las A renos (aguas arriba de Terrassa hasta el punto 6,Figura 2). ESCORRENTÍA Y TRANSPORTE SÓLIDO EN UNA CUENCA Ingeniería del Agua. Vol. 3 Num. 3 (septiembre 1996) p. 33 Figura 5 Detalle de los pluviómetros automáticos empleados. En el punto de desembocadura de la riera (Figura 2) se adaptó una obra ya existente como estación de aforos. La obra es una barrera transversal o azud enterrado, construida en los años setenta para disipar la energía de la corriente y facilitar la unión con la riera de Palau. La obra se aprovecha como sección de control hidráulica, midiéndose el nivel de agua en un pozo comunicado por filtración con el cauce. En el pozo flota la boya de un limnígrafo (Figura 6). Esta clase de toma de nivel viene aconsejada por el funcionamiento esporádico del río. Como complemento a la estación, se construyó una trampa de sedimentos totalizadora del material sólido transportado (Figura 6). En su primera versión, consistía en un muro de cierre en un rincón de la obra existente, que definía un volumen de 88 m3 para acumulación de sedimentos. El agua con los sedimentos entra por una anchura de 6.6 m, mientras el agua sale por un desagüe superficial o rebosando por encima del muro. En la segunda versión, se ha recrecido hasta 103 m3 y se ha reducido la boca de entrada a 3.5 m de anchura. Los cálculos estimativos y los primeros sucesos reales indicaron que una trampa como ésta sólo es suficiente para avenidas pequeñas. Figura 6 Estación de aforos y trampa de sedimentos actual (2a versión) en la desembocadura de la riera de Las A renos. ESCORRENTÍA Y TRANSPORTE SÓLIDO EN UNA CUENCA Ingeniería del Agua. Vol. 3 Num. 3 (septiembre 1996) p. 34 Figura 7 Modificaciones propuestas en la trampa de sedimentos. Próximamente se construirá una trampa de sedimentos permanente que cambia la concepción pero aprovecha la obra ya realizada. La trampa se transforma en un depósito decantador de 120 m3 tapado con una estructura metálica (salvo un desagüe alto), para que su funcionamiento no sea alterado por la circulación de la avenida (Figura 7). La toma es un conducto estructural con una boca enfrentada a la corriente. La boca es pequeña, a fin de hacer la trampa útil para avenidas mayores y se coloca lejos de la orilla, para conseguir una mayor representatividad. Mediante motor y cabrestante se podrá levantar la tapa para vaciar su contenido tras una avenida. El análisis hidrológico (Apartado 6) ha mostrado que es interesante diferenciar la cuenca natural o parcialmente urbanizada de la cuenca urbana. Por esta razón se ha establecido un segundo punto de medida de caudal (o estación de aforos) (Figura 2, punto 12). En el lugar elegido existe un puente protegido por una gran traviesa de hormigón (Figura 15). Esto crea un salto que se aprovecha como control hidráulico. Bajo el tablero del puente se instala un sensor de nivel por ultrasonidos. CALIBRACIÓN EXPERIMENTAL DE LOS EQUIPOS A fin de contar con medidas fiables en la cuenca experimental, se ha realizado una calibración de los pluviómetros y también de la estación de aforos y trampa de sedimentos. Uno de los problemas que presentan los pluviómetros de balancín es el error producido en caso de intensidades elevadas, puesto que miden menos lluvia de la real. Esto se explica por el tiempo que transcurre en el vuelco de las cazoletas, durante el cual la lluvia caída se pierde para el registro automático. En el laboratorio hidráulico se ha desarrollado un aparato portátil para ESCORRENTÍA Y TRANSPORTE SÓLIDO EN UNA CUENCA Ingeniería del Agua. Vol. 3 Num. 3 (septiembre 1996) p. 35 Figura 8 Ajuste in situ de la curva del pluviómetro 2. ∆ t=0.309 s, V=0.197mm. Figura 9 Ajuste de la curva de vertido en la estación de aforos del prototipo. calibrar pluviómetros. Consiste en un recipiente de nivel constante que deja caer el agua al pluviómetro gota a gota. El goteo es regulable por medio de una pinza, con lo que se simulan diferentes intensidades de 5 a 300 mm/h. El agua pasada se recoge y cubica para compararla con el volumen deducido por el pluviómetro (n° de vuelcos × capacidad de la cazoleta, calibrada previamente en condiciones estáticas), de modo que puede dibujarse una curva de calibración llamada dinámica, como la Figura 8. Estas curvas se ajustan por regresión a una ecuación del tipo )1( .t t rItV VI I∆− = donde V es el volumen contenido en la cazoleta y calibrado estáticamente, I, es la intensidad teórica a partir del registro del pluviómetro (es decir el cociente ESCORRENTÍA Y TRANSPORTE SÓLIDO EN UNA CUENCA Ingeniería del Agua. Vol. 3 Num. 3 (septiembre 1996) p. 36 Figura 10 Curva de llenado peso-tiempo adimensional de la trampa provisional. V/T, donde T es el tiempo de un ciclo completo de llenado y vuelco de cazoleta), ∆t es el tiempo de vuelco e lr es la intensidad real, es decir de vuelco e Ir es la intensidad real, es decir Figura 11 Curva de llenado peso-tiempo adimensional de la trampa definitiva. El parámetro de ajuste es ∆t, siendo Ir e It los datos experimentales: la intensidad experimental Ir se obtiene con el volumen recogido en el totalizador, mientras la teórica Ir se obtiene con el volumen registrado a través del número de vuelcos. Como se ve en la figura y en la ecuación, la intensidad real se aparta más de la teórica cuanto más intensamente llueve, porque el volumen perdido durante el vuelco es proporcional-mente mayor. La estación de aforos y trampa de sedimentos ha sido estudiada experimen-talmente en modelo reducido para obtener su curva de desagüe (o curva de gastos) y la eficiencia de captura de sedimentos por la trampa. Esto se ha realizado en un canal hidráulico de pendiente variable, de 20 m de longitud, 60 cm de anchura, pendiente regulable entre el 0 y el 4% y paredes de vidrio. El canal cuenta con una tolva dosificadora de material granular capaz de suministrar caudales sólidos predeterminados entre 0.03 y 1.5 l/s de manera continua y uniformemente repartida en la anchura de 60 cm. ESCORRENTÍA Y TRANSPORTE SÓLIDO EN UNA CUENCA Ingeniería del Agua. Vol. 3 Num. 3 (septiembre 1996) p. 37 Figura 12 Fotografía del prototipo antes de la avenida del 10 de Octubre de 1994. El modelo es de lecho fijo con aporte de sedimentos, ya que es la eficacia de retención de la trampa en relación a la tasa sólida suministrada la principal cuestión y no la dinámica fluvial del cauce. El modelo no puede reproducir toda la anchura de la estación de aforos (50 m) dentro del canal, so pena de ser demasiado pequeño. Por el contrario reproduce 14 m de anchura de la estación, a escala 23. La semejanza empleada en el modelo es la de Fronde en cuanto a las variables hidráulicas y la derivada del criterio de Shields en cuanto al material granular: así se emplea arena fina (muy uniforme) de tamaño D50=0.4 mm y densidad específica igual a la del prototipo, para representar la grava media (D50=8 mm) del cauce a escala 23. La rugosidad del fondo fijo se consigue mediante un revestimiento con mortero de grano 1-2 mm, para representar la fracción gruesa del material del cauce. Los ensayos hidráulicos de la estación de aforos han llevado a obtener la curva de desagüe en régimen permanente (Figura 9), midiendo el nivel o calado del agua sobre la estructura y por otro lado el caudal de ensayo en un vertedero triangular de aforo en la cabecera del canal. El régimen en el cauce es rápido, razón por la cual la pendiente y la rugosidad tienen influencia en el resultado experimental. El modelo no reproduce la anchura total junto con las orillas más rugosas, sino un sector central de 14 m confinado entre paredes de vidrio. Con esto indicamos posibles diferencias, muy difíciles de valorar, entre modelo y prototipo. En cambio, no son de temer efectos de escala por fuerzas de tensión superficial o fuerzas viscosas (se dan altos números de Reynolds y láminas vertientes de varios centímetros). La ecuación potencial de ajuste se representa en la Figura 9 y se emplea para convertir los limnigramas en hidrogramas de avenida. En cuanto a la trampa de sedimentos, los ensayos han permitido estudiar la captación y retención del sedimento y mejorar y sancionar el diseño de la trampa cubierta (Figura 7). En los ensayos con sedimento se mide el peso de arena que ha pasado por la estación y el peso retenido en la trampa, en distintos instantes del proceso de llenado. La expresión resumida de un ensayo es la curva peso retenido - tiempo, que conviene convertir en adimensional empleando como peso de referencia el peso máximo (trampa llena) y como tiempo de referencia un tiempo de desplazamiento (peso máximo / caudal sólido) (Figura 10). Los ensayos se realizan en régimen permanente (caudal constante) y con el caudal sólido más pequeño posible. Se ha comprobado que el valor concreto del caudal sólido no influye en el ESCORRENTÍA Y TRANSPORTE SÓLIDO EN UNA CUENCA Ingeniería del Agua. Vol. 3 Num. 3 (septiembre 1996) p. 44 CONCLUSIONES La investigación se centra en una cuenca de 30 Km2 de funcionamiento torrencial, con un cauce seco de alta pendiente. La información de las estaciones pluviométricas, de la estación de aforos y de la trampa de sedimentos (calibrada en modelo reducido) en 5 pequeñas avenidas en 1992 y 1993 y en la avenida más importante del 10-10-94, indica diversos fenómenos de interés hidrológico e hidráulico: bajos coeficientes de escorrentía globales, altos volúmenes de transporte sólido y considerables pérdidas de volumen de escorrentía por permeabilidad del cauce. LISTA DE SÍMBOLOS D: Tamaño de grano del material del cauce. I: Intensidad de precipitación. k: Permeabilidad del cauce. P: Precipitación / Peso de material retenido en la trampa. Q: Caudal. t: Tiempo. V: Volumen de agua / Volumen de sedimento. Y: Calado de agua. σ: Desviación típica de la granulometría. AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha contado con la ayuda del proyecto AMB92-0638 de la CICYT. Agradecemos la colaboración de la Junta de Aguas de la Generalitat de Cataluña, la Diputación de Barcelona, el Instituto Nacional de Meteorología y los Ayuntamientos de Matadepera, Terrassa y Rubí. Han participado en distintas partes del trabajo Ricard Ferrer, Alberto Casart, Celso García García y Cristina Pérez Platas. BIBLIOGRAFÍA Martín Vide, J (1992) Características extremas de la precipitación en la España mediterránea. Inundaciones y Redes de Drenaje Urbano. Colegio de Ingenieros de Caminos de Madrid. Rosselló, R. (1992) Estudi hidrològic de la riera de Les Arenes. Tesina de especialidad. Escuela de Ingenieros de Caminos de Barcelona. López Bustos, A. (1964) Resumen y conclusiones de los estudios sobre avenidas del Valles en 1962. Instituto de Hidrología, Madrid. Lane, L.J (1982) Distributed Model for Small Semiarid Watersheds. Journal of the Hydraulic Division, ASCE, vol. 108, n°10, pp 1114-1131. Chow, V.T; Maidment, D.R; Mays, L.W. (1988) Applied Hvdrology. McGraw Hill Book Co.