IAHR
CIC XXV CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA SAN JOSÉ, COSTA RICA, 9 AL 12 DE SEPTIEMBRE DE 2012
ESTRUCTURA DE UN SISTEMA DE ALERTA TEMPRANA PARA LA CIUDAD DE VILLAHERMOSA, TABASCO Gutiérrez Aviña, G; Carrillo Sosa, J.J y González Villareal, F.J Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, México, DF
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RESUMEN: Este trabajo presenta una estructura operativa propuesta para conformar un sistema de alerta temprana basado en la medición en tiempo real de la precipitación a partir de imágenes obtenidas del satélite GOES. La información de estimación de la precipitación que el sistema hidroestimador genera, alimenta a un modelo lluvia-escurrimiento que ha sido calibrado para las 4 cuencas de los ríos que conforman el sistema denominado La Sierra al sur del estado de Tabasco, en el sureste mexicano. El módulo del modelo lluvia-escurrimiento forma parte del Storm Water Management Model (SWMM), software elaborado por la agencia de protección al medio ambiente de EE.UU. (EPA), el cual, a partir de información de las cuencas y la lluvia media estimada en ellas por el hidroestimador, genera un hidrograma de escurrimiento que a su vez es transitado por el módulo de flujo unidimensional no permanente del mismo programa de cómputo. Se usaron registros de precipitación horaria, gastos y niveles medidos en 11 estaciones hidrométricas y climatológicas operadas por la Comisión Nacional del Agua en el año 2011 para calibrar los resultados obtenidos por el hidroestimador y por el modelo lluvia-escurrimiento.
ABSTRACT: This paper presents a proposed operating structure to form an early warning system whose based on the real-time measurement of rainfall from GOES (Global Online Enrollment System) satellite imagery and a Hydro-Estimator (rain rate algorithm) that makes a calculation of precipitable water. This information is input to a rainfall-runoff model that has been calibrated for the 4 river basins that form the system known as La Sierra in the southern state of Tabasco in southeastern of Mexico. The rainfall-runoff model is part of Storm Water Management Model (SWMM) software developed by the U.S. Environmental Protection Agency(EPA), which, based on information from the basins and the estimated precipitable water in them by the Hydro-Estimator, makes a runoff hydrograph which calculates the flood routing in the one-dimensional flow module. Precipitation records were used obtained every hour, flow and levels measured in 11 monitoring stations operated by the National Water Commission in 2011 to calibrate the results obtained by the Hydro-Estimator and rainfall-runoff model. PALABRAS CLAVES: Hidroestimador; modelo lluvia-escurrimiento, parámetros de infiltración, sistema de alerta.
INTRODUCCIÓN En las últimas tres décadas se han registrado avances importantes en las técnicas de percepción remota para la estimación de lluvia, principalmente con el uso de satélites y radares meteorológicos. Estos avances incrementaron la disponibilidad de datos de lluvia en tiempo real. De este modo, la estimación de lluvia mediante el uso de satélites pasó del ámbito de la investigación al ámbito operativo, con productos útiles tanto para los estudios hidrológicos y meteorológicos, como para la implantación de sistemas de alerta temprana. El uso de la percepción remota significa ahorros importantes, por su gran cobertura a menor costo porque se utilizan satélites ya existentes y con creciente disponibilidad de datos históricos. Los datos que proporcionan los satélites y radares, permiten el análisis hidrológico en una cuenca, con la ventaja de tomar en cuenta la variabilidad espacial y temporal de las características y magnitud de una lluvia para conocer la respuesta de la cuenca a través de modelos hidrológicos y de otro tipo. Por lo anterior, se consideró conveniente implementar un sistema para la estimación de lluvias que permita el monitoreo en tiempo real de los sistemas convectivos generadores de tormentas intensas. A su vez, este sistema alimenta a los modelos hidrológicos desarrollados con fines de predicción y alerta temprana. El sistema integral se denomina Sistema de Alerta Temprana. Este trabajo está encaminado a diseñar la estructura de un Sistema de Alerta Temprana (SAT) para la ciudad de Villahermosa en el estado de Tabasco, en el sureste mexicano. Para ello, se aplicará un sistema de estimación de la precipitación en tiempo real, denominado Hidroestimador sumado a un modelo de gestión de aguas pluviales, denominado Storm Water Management Model versión 5.0 (SWMM), desarrollado bajo el Acuerdo de Cooperación para la Investigación y el Desarrollo entre la División de Abastecimiento de Agua y Recursos Hídricos (Water Supply and Water Resources Division) de la EPA (Enviromental Proteccion Agency). OBJETIVOS Establecer la relación operativa entre un sistema de estimación de precipitación en tiempo real, un modelo lluvia escurrimiento y un modelo de transito de avenidas en llanuras y planicies, para determinar los distintos niveles de alerta del sistema. METODOLOGÍA
Figura 1.- Ubicación de la zona de estudio
El área de estudio comprende una porción del orden del 5% de la región hidrológica número 30, denominada Grijalva-Usumacinta, la cual tiene una superficie de 87,120 km2, y abarca a los estados de Chiapas y Tabasco, en el sureste de México. El análisis se concentró en los ríos del sistema La Sierra, compuesto por las cuencas de los ríos Pichucalco, Teapa, Puyacatengo, Oxolotán y Tapijulapa; esto debido a que, en esta zona se presenta la mayor cantidad de escurrimientos anuales que afectan a la ciudad de Villahermosa, Tabasco, y a que las lluvias en esta región fueron las principales causantes de la inundación del año 2007. La estructura del Sistema de Alerta Temprana consta de los siguientes componentes: (1) monitoreo, (2) modelo lluvia-escurrimiento, (3) modelo de transito de avenidas y (4) un sistema de emisión de avisos y alertas.
Funcionamiento del hidroestimador El hidroestimador es un sistema semi-automático, que estima las alturas de precipitación en tiempo real a partir de la temperatura registrada en el canal 4 de 10.7 micrómetros obtenido de las imágenes GOES. Las imágenes GOES contienen tres tipos de información: (1) imagen visible, que es la intensidad de luz del sol reflejada en las nubes y/o superficie de la tierra. (2) imagen Infrarroja (IR): proporciona información sobre la temperatura superficial del cuerpo de la nube y (3) Vapor de agua (WV), que representa la distribución de la concentración del vapor de agua en la nube y la distribución interna de la temperatura en una capa de la atmósfera entre 4 y 9 km sobre la superficie de la tierra. Apoyado en estos componentes, el hidroestimador genera campos espaciales de la tasa de precipitación instantánea que se ubica en una malla con celdas de 4x4 km geo-referenciada sobre un modelo digital del terreno (MDT). La estimación de la precipitación se ajusta mediante un factor de corrección (C) que toma en cuenta el dato de lluvia medido por estaciones las terrestres climatológicas y un factor de peso (p) que pondera la distancia (d) que existe entre la celda cuya precipitación se ajustará y la ubicación de las celdas coincidentes con estaciones de medición, ubicadas dentro de un radio de influencia propuesto. ( ) La lámina de lluvia se calcula de la siguiente forma: (∑
)
[1]
donde: VA VE Ci Pi
valor ajustado valor estimado por el hidroestimador coeficiente de la estación, el valor estimado del hidroestimador en esta celda esta forzado por el valor registrado por la estación promedio pesado de las celdas Una vez realizada la corrección de todas las celdas con datos de precipitación, calcula para cada cuenca la precipitación media ponderando los valores de precipitación estimados en cada celda con respecto al área total de la cuenca. Así, se genera un archivo numérico que contiene la lluvia estimada organizada con base en el sistema reticular y la lluvia media ponderada por cuenca. Además, se obtiene una imagen en la que mediante un código de colores se dibujan los rangos de precipitación para esa lluvia (figura 2 ). El proceso se repite continuamente en intervalos de una hora.
Figura 2.-Lluvia estimada por el hidroestimador
El dato de lámina media de lluvia por cuenca alimenta al modelo SWMM v5.0 para realizar un análisis en régimen continuo de las componentes de lluvia y escurrimiento de las cuencas ubicadas en la zona de interés (figura 3).
HIDROESTIMADOR
MODELO LLUVIA-ESCURRIMIENTO
Proceso continuo y automático
Caracterización de las cuencas
00:00 h
Parámetros de infiltración (ψ – K)
24:00 h Ingreso de lámina media de lluvia por subcuenca
Adquisición de datos Generación de hidrogramas de entrada
Imagen original GOES-13 45 minutos
Lluvia 60 minutos. Hipótesis: Datos verdaderos del fenómeno
Utiliza la información de las imágenes IR para derivar campos espaciales de la tasa de precipitación por celda
Ajuste los valores obtenidos de las imágenes GOES por medio de los datos reportados por las estaciones terrestres
Resultados Imagen interpretada para lluvia cada hora
Lámina media de lluvia por subcuenca
Coeficiente de rugosidad y/o secciones transversales
TRANSITO DE AVENIDAS
Tránsito de avenida por el sistema de los ríos de la Sierra
Comparación de resultados con los medidos por las EH terrestres (niveles y gastos)
NO Re-calibrar
Relacionar los niveles de agua con la finalidad de determinar umbrales de riesgo alrededor de la ciudad de Villahermosa
Programa de gestión de riesgos por inundación
Figura 3.- Metodología de interacción entre el Hidroestimador y el modelo SWMM
Con el fin de facilitar la interpretación de resultados y aplicar el modelo SWMM se generó el esquema de interconexión de ríos y lagunas de la zona de estudio como se muestra en la figura 4, constituido por un total de 171 secciones transversales de los ríos del sistema La Sierra y cinco lagunas con sus respectivas curvas elevaciones-capacidades. Adicionalmente se representaron vertedores laterales a los cauces que forman parte de la infraestructura para el control de avenidas construida en el período 2008 y 2010 como parte del Plan Hídrico Integral de Tabasco.
Figura 4.- Esquema del sistema fluvial que rodea a la ciudad de Villahermosa en el modelo SWMM v.5.0 EPA
Transformación de lluvia en escurrimiento El modelo SWMM supone que el funcionamiento hidráulico de las cuencas es similar al comportamiento de un almacenamiento y que estará regido por una ecuación de equilibrio de masa, en función de los caudales de entrada y salida; así como su correspondiente variación de almacenamiento (figura 5). En el esquema de cálculo, H es el valor de la altura de agua dentro del almacenamiento, con un gasto de salida que se evalúa por medio de una expresión de tirante normal, igual al que se utiliza en las soluciones de tipo onda cinemática (ec. 2), a saber ( ) donde:
[
(
)
√
(
)
√
]
[2]
A superficie en planta de la cuenca i(t) intensidad de precipitación caída en la cuenca W ancho de la cuenca H altura de agua en la cuenca h0 abstracción inicial o umbral de escorrentía de la cuenca I0 pendiente media de la cuenca n coeficiente de rugosidad superficial
El modelo SWMM, transforma los datos de lámina de lluvia media en hidrogramas de escurrimiento a partir de las características geomorfológicas de las cuencas, el estado inicial de humedad del suelo y la permeabilidad (tabla 1).
Cuenca Almandro Puyacatengo Teapa Pichucalco
Tabla 1.- Características de las cuencas de los ríos de la Sierra Corriente Longitud del cauce Área [Km] principal principal [Km] Tapijulapa y 3 172.33 134.10 Oxolotán Puyacatengo 121.50 25.52 Teapa 420.23 56.85 Pichucalco 401.06 54.18
Pendiente del cauce principal [%] 2.1 2.5 4.2 1.9
En el proceso de transformación de lluvia en escurrimiento se calcula el coeficiente de infiltración con el modelo de Green-Ampt. En éste se considera la influencia de la humedad inicial del suelo, así es posible representar un estado inicial seco o húmedo del sistema. La aplicación del modelo de Green-Ampt requiere de la estimación de parámetros de permeabilidad del suelo: conductividad hidráulica (K), altura de succión del terreno (ψ), porosidad del suelo (Φ), así como el estado de humedad inicial del mismo. En este estudio no se contó con información de campo sobre estos parámetros, por lo que se procedió a estimar su magnitud con base en las recomendaciones de la literatura técnica [Rawls, 1983].
Tabla 2.- Características del suelo K Ψ Textura del suelo [mm/h] [mm] Arena 120.40 49 Arena margosa 29.97 61 Marga arenosa 10.92 110 Marga 3.30 89 Sedimentos de marga 6.60 170 Marga areno-arcillosa 1.52 220 Marga arcillosa 1.02 210 Sedimentos de marga arcillosa 1.02 270 Arcilla arenosa 0.51 240 Sedimentos de arcilla 0.51 290 Arcilla 0.25 320
Φ 0.437 0.437 0.453 0.463 0.501 0.398 0.464 0.471 0.430 0.479 0.475
La mayor parte de la superficie de las cuencas de los ríos de La Sierra en el estado de Tabasco está conformada por arcillas arenosas de baja permeabilidad [INEGI, 2007], por lo que se decidió iniciar la calibración del modelo lluvia escurrimiento usando los valores correspondientes de la tabla 2. El proceso de calibración consistió en variar estos coeficientes con base en los valores de permeabilidad recomendados para el tipo de suelo en la zona de estudio hasta obtener que los hidrogramas calculados con el modelo fueran similares a los medidos en las estaciones hidrométricas ubicadas en las cuatro cuencas de estudio. La figura 6 muestra los resultados de la calibración y asocia la relación entre los valores de K y ψ con respecto a la relación entre la elevación del agua medida y la elevación del agua calculada; para los valores más altos de esta relación se generó un ajuste de tipo polinominal de segundo orden y se obtuvo la ecuación que aparece en el gráfico. Con esa ecuación se puede obtener el valor ψ que debe usarse en el modelo en función de la permeabilidad K para que el error de cálculo sea mínimo.
Figura 6.- Calibración de los parámetros K y ψ
Una vez calibrado el modelo lluvia escurrimiento se obtuvieron los hidrogramas de entrada para las condiciones de frontera aguas arriba (figura 7correspondiente a 4 sitios en el sistema: (1) estructura de control El Macayo, (2) E.H. San Joaquín, (3) E.H. Teapa, (4) E.H. Puyacatengo y (5) E.H. Tapijulapa.
a)
b)
GASTO-Macayo
GASTO-Puyacatengo
400.00
250.00
350.00 200.00 300.00
250.00 Gasto (m3/s)
Gasto (m3/s)
150.00
200.00 REGISTRO
SWMM
REGISTRO
SWMM 100.00
150.00
100.00
50.00 50.00
0.00
0.00
0
720
1440
2160
2880
3600
4320
0
720
1440
2160
Tiempo (horas)
2880
3600
4320
Tiempo (horas)
c)
d)
GASTO-Teapa
GASTO-Tapijulapa 2250.00
400.00
2000.00
350.00
1750.00 300.00
1500.00
Gasto (m3/s)
Gasto (m3/s)
250.00
200.00 REGISTRO
SWMM
1250.00
REGISTRO
1000.00
SWMM
150.00 750.00
100.00
500.00
50.00
250.00
0.00
0.00
0
720
1440
2160
2880
3600
4320
0
720
1440
2160
Tiempo (horas)
2880
3600
4320
Tiempo (horas)
Figura 7.- Hidrogramas calibrados (periodo de simulación junio-noviembre del 2011)
Tránsito de avenidas Para transitar los hidrogramas calculados con el modelo lluvia-escurrimiento a partir de las lluvias estimadas en tiempo real por el hidroestimador, el SWMM utiliza un modelo de transporte de Onda Dinámica (Dynamic Wave Routing) el cual resuelve las ecuaciones unidimensionales de Saint Venant. Estas ecuaciones suponen la aplicación de la ecuación de continuidad y de cantidad de movimiento en las conducciones (ríos) y la de continuidad de los volúmenes en los puntos de interconexión (nudos).
( )
donde:
A Q h g
( )
Área mojada en el cauce caudal tirante Pendiente del fondo del cauce Pendiente de la línea de energía gravedad
(
)
[3]
El parámetro de calibración en el modelo de tránsito de avenidas es el coeficiente de rugosidad de Manning y por prueba y error, comparando los limnigramas obtenidos como producto del tránsito, con respecto a los registros en algunas estaciones del sistema, se determinó que el valor de este coeficiente para el caso de los ríos que conforman el sistema La Sierra varía entre 0.030 y 0.035. En el caso del río Carrizal se utilizó para el análisis el registro de caudales en el período de estudio de la estación hidrométrica González, dado que los escurrimientos serán controlados manteniendo el gasto a un valor constante por medio de una estructura denominada El Macayo, consistente en un sistema de compuertas laterales y una cortina central que está ubicada a 30 km aguas abajo de la estructura. El resultado de los tránsitos de avenidas en cada cauce se muestran en las figuras 8 y 9, en donde se escogieron secciones de control correspondientes a estaciones hidrométricas ubicadas aguas abajo del sistema para comparar los resultados del modelo contra registros de gastos y niveles. Las estaciones son Pueblo Nuevo y Porvenir. Se observa en estas gráficas que existen zonas donde el ajuste no es satisfactorio (zonas punteadas), es probable que ello se deba a la lluvia en cuenca propia en la zona de planicie, que por el momento no se ha considero en el sistema, por lo que hay una diferencia entre lo calculado y lo medido. a)
b)
GASTO-Pueblo Nuevo
ELEVACION-Pueblo Nuevo
2000.00
9.00 1800.00
8.00
1600.00
1400.00
7.00
1000.00 REGISTRO
SWMM 800.00
Elevacion (msnm)
Gasto (m3/s)
1200.00
6.00
REGISTRO 5.00
SWMM
600.00
4.00 400.00
200.00
3.00
0.00
0
720
1440
2160
2880
3600
4320
2.00
Tiempo (horas)
0
720
1440
2160
2880
3600
4320
Tiempo (horas)
Figura 8.- Hidrograma y limnigrama obtenido en la EH Pueblo Nuevo
a)
b)
GASTO-Porvenir
ELEVACIÓN-Porvenir
1500.00
7.00
1400.00
6.50
1300.00
6.00
1200.00
5.50
1100.00
5.00
1000.00
Gasto (m3/s)
800.00 REGISTRO
700.00
SWMM 600.00
Elevacion (msnm)
4.50 900.00
4.00 3.50 REGISTRO 3.00
SWMM
2.50 500.00 2.00
400.00
1.50
300.00
1.00
200.00
0.50
100.00 0.00
0.00
0
720
1440
2160 Tiempo (horas)
2880
3600
4320
0
720
1440
2160
2880
Tiempo (horas)
Figura 9.- Hidrograma y limnigrama obtenido en la EH Porvenir
3600
4320
Sistema de avisos Esta componente del sistema se encuentra en proceso de integración actualmente, pero el proceso será el siguiente: la información estimada por el hidroestimador, y calculada por los modelos de lluvia-escurrimiento y de tránsito de avenidas, genera un limnigrama asociado a una precipitación que está ocurriendo en tiempo real. Al actualizarse cada hora este cálculo, se va construyendo el limnigrama en las secciones seleccionadas como puntos de control aguas abajo y el operador del sistema de alerta puede verificar la evolución del cambio en los niveles en esos puntos del sistema para cada tormenta en observación y monitoreo dentro de la zona de estudio. El sistema permite calcular el tiempo que transcurre entre la ocurrencia de la precipitación en la parte alta de la cuenca y que se presente el nivel asociado al escurrimiento que esta lluvia produce en sitios de control aguas abajo. Este tiempo corresponde al desfasamiento en el tiempo del pico de la avenida, obtenido mediante el modelo de tránsito. Dependiendo de los niveles del agua pronosticados en los puntos de control, resultados de una tormenta que está ocurriendo en tiempo real, el operador emite un aviso en función de los umbrales de prevención, alerta y emergencia. En la figura 10, usada como ejemplo, se representa como deberá operar el sistema una vez que se encuentre operando al 100%. En esta figura se presenta la gráfica de los escenarios que podrían observarse en una estación hidrométrica cualquiera del sistema de acuerdo con tres limnigramas obtenidos con el modelo lluvia-escurrimiento. En estos escenarios, la tormenta 1 ha producido un escurrimiento con niveles de agua tales que ya es inminente que será rebasado el nivel de protección por lo que el operador debe emitir un aviso de emergencia y se deben activar los planes de atención de emergencia elaborados por la protección civil de la entidad. El tiempo disponible para actuar es el tiempo de tránsito del pico de esa tormenta. Por otro lado, la tormenta 2 generó un escurrimiento en donde el nivel máximo del agua nunca rebasó el nivel de protección pero se ubicó por encima del nivel preestablecido de bordo libre, por lo que el operador del sistema emite un mensaje de alerta a los encargados de protección civil indicando que la tormenta que ocurre en ese momento generará niveles en el cauce por arriba del libre bordo y que existe la posibilidad de que, de prolongarse la tormenta o incrementarse la intensidad de precipitación, el cálculo en la próxima hora Figura 10.-Umbrales de nivel en cauces del sistema de alerta confirme que los valores del nivel del agua rebasarán el nivel de protección. En este estado el sistema de alerta se mantiene permanentemente en vigilancia del meteoro. En el tercer caso, la tormenta 3 produjo niveles que se mantuvieron siempre por debajo del nivel de libre bordo; así que el operador genera un aviso de prevención y mantiene la vigilancia de la evolución de la tormenta.
CONCLUSIONES
La estimación de lluvia por medio del hidroestimador requiere de una calibración con base en la información que están generando las estaciones terrestres, por ello es fundamental que el sistema de hidrometría funcione en forma eficiente y que se revise el número y ubicación de las estaciones que lo conforman para mejorar la calibración y con ello la precisión en la estimación de lluvia. Es conveniente también extender la aplicación del hidroestimador a otras cuencas para cubrir zonas del estado de Tabasco que presentan riesgo por inundación y que no están incluidos en el sistema en este momento. El modelo lluvia-escurrimiento se basa en el análisis de varios fenómenos de precipitación para evaluar la respuesta de las cuencas ante ellos y verificar la magnitud de los coeficientes y parámetros implícitos en el modelo. En ese sentido se requiere continuar el monitoreo de más meteoros y continuar el proceso de calibración en las cuencas actuales y en las que se incorporen al sistema en el futuro. El tránsito de avenidas arroja resultados que demuestran la necesidad de mejorar la forma en que se modela el funcionamiento de las lagunas y como se considera la lluvia local en la parte baja del sistema. Si bien el funcionamiento de este sistema conjunto (cauces y lagunas) podría analizarse un modelo bidimensional, esto haría los procesos de cálculo más lentos reduciendo significativamente los tiempos de respuesta de los operadores del sistema de alerta temprana. Recomendamos continuar el proceso de integración de los componentes del sistema de alerta y una vez completado hasta la etapa de avisos, operarlo por lo menos un año para verificar la adecuada interrelación y operación de sus partes y reducir el número de falsas alarmas en su etapa inicial.
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