Cálculo del riesgo de inundación y tiempo de llegada de la riada a zonas urbanas

Modelo: Gemini Flash 2.0 Experimental | 17/01/2025

Calcula el riesgo de inundación en zonas edificadas entre 50-5 km de la costa, el tiempo aproximado de llegada de la riada y la hora para lanzar la alerta por peligro extremo de inundación, con los datos siguientes:

Cuenca: Forma de embudo, dendrítica.

Desnivel: 1400 m.

Longitud del cauce principal: 80 km.

Múltiples barracos y cauces, sin infraestructura hidráulica de protección

Pendiente promedio: 0.01755.

Coeficiente de Manning: 0.04 (aproximado).

Precipitación: 200 mm en 8 horas, comenzando las lluvias intensas a las 8 a.m.

Suelo: Arcilloso.

Vegetación: Escasa.

Urbanización: Aumenta desde baja a alta a lo largo del cauce.

Cauces: Meándricos, con historial de desbordes.

Con los datos proporcionados, podemos realizar una estimación aproximada del riesgo de inundación y el tiempo de llegada de la riada. Sin embargo, es crucial entender que este es un cálculo simplificado y que un estudio hidrológico detallado sería necesario para una evaluación precisa.

1. Cálculo del Tiempo de Concentración (Tc):

El tiempo de concentración es el tiempo que tarda una gota de agua en viajar desde el punto más lejano de la cuenca hasta el punto de interés. Existen varias fórmulas empíricas para calcularlo. Dada la forma de la cuenca y la información disponible, usaremos una aproximación basada en la longitud del cauce principal y la pendiente:

Velocidad aproximada del flujo (V): Podemos estimarla usando la fórmula de Manning:

V = (1/n) * R^(2/3) * S^(1/2)

Donde:
- n = Coeficiente de Manning (0.04)
- R = Radio hidráulico. Como aproximación, y asumiendo un cauce ancho en comparación con la profundidad, podemos usar R ≈ profundidad media del flujo. Sin embargo, no tenemos este dato. Para una primera aproximación, y dado que la pendiente es baja y el terreno arcilloso, podemos asumir un valor bajo, por ejemplo, 0.5 metros. Esto es una simplificación importante y la principal fuente de incertidumbre en este cálculo.
- S = Pendiente (0.0175)
V ≈ (1/0.04) * (0.5)^{(2/3) * (0.0175)}(1/2) ≈ 2.3 m/s
Tiempo de viaje (T):

T = Longitud del cauce / Velocidad

T = 80,000 m / 2.3 m/s ≈ 34,783 segundos ≈ 9.66 horas

Este cálculo sugiere que el tiempo de concentración es de aproximadamente 9.66 horas.

2. Tiempo de Llegada de la Riada:

Considerando que las lluvias intensas comienzan a las 8 a.m., y sumando el tiempo de concentración estimado (9.66 horas), la riada comenzaría a llegar a las zonas bajas alrededor de las 5:40 p.m. aproximadamente.

3. Cálculo del Caudal Pico:

No podemos calcular el caudal pico con precisión con los datos proporcionados. Necesitaríamos información sobre el área de la cuenca y aplicar métodos hidrológicos como el método racional o el hidrograma unitario. Sin embargo, podemos hacer algunas inferencias cualitativas:

Alta Precipitación: 200 mm en 8 horas es una precipitación muy intensa, lo que sugiere un alto caudal pico.
Suelo Arcilloso: El suelo arcilloso tiene baja infiltración, lo que aumenta la escorrentía superficial y, por lo tanto, el caudal.
Escasa Vegetación: La escasa vegetación ofrece poca retención del agua, lo que también contribuye a un mayor caudal.
Urbanización: La urbanización aumenta la impermeabilidad del suelo, incrementando aún más la escorrentía y el caudal pico.
Forma de Embudo y Múltiples Barrancos: Estas características concentran rápidamente el agua hacia el cauce principal, lo que también aumenta el caudal pico.

4. Riesgo de Inundación:

El riesgo de inundación en las zonas edificadas entre 5 y 50 km de la costa es alto debido a la combinación de los siguientes factores:

Alta precipitación.
Características de la cuenca que favorecen la rápida concentración del agua.
Suelo arcilloso y escasa vegetación que aumentan la escorrentía.
Urbanización creciente que incrementa la impermeabilidad del suelo.
Cauces meándricos con historial de desbordes.
Falta de infraestructuras de protección.

5. Hora para Lanzar la Alerta por Peligro Extremo de Inundación:

Dado que la riada se estima que llegará alrededor de las 5:40 p.m., y considerando la necesidad de tiempo para la evacuación y preparación, se recomienda lanzar la alerta alrededor de las 12:00 p.m. o 1:00 p.m. a más tardar. Esto proporciona un margen de tiempo para que las autoridades y la población tomen las medidas necesarias.

Conclusiones y Advertencias:

Este es un cálculo aproximado. Un estudio hidrológico profesional es esencial para una evaluación precisa del riesgo.
La principal fuente de incertidumbre es la estimación del radio hidráulico.
La combinación de factores indica un alto riesgo de inundación.
Se recomienda encarecidamente la implementación de un sistema de alerta temprana y la construcción de infraestructuras de protección.

Es fundamental tomar estas estimaciones con precaución y priorizar la seguridad de las personas.

Cálculo de contraste de algunos parámetros (Copilot):

1. Pendiente media

Para calcular la pendiente media en un descenso de aproximadamente 900 metros en una distancia de 83 kilómetros, utilizamos la fórmula de la pendiente:

\[ \text{Pendiente} = \frac{\text{Cambio en la elevación}}{\text{Distancia horizontal}} \]

En este caso, el cambio en la elevación es de 900 metros y la distancia horizontal es de 83 kilómetros (83,000 metros).

\[ \text{Pendiente} = \frac{900 \text{ metros}}{83,000 \text{ metros}} \approx 0.0108 \]

La pendiente media es aproximadamente 0.0108 o 1.08%.

2. Velocidad del agua en la pendiente y tiempo de llegada al punto más bajo, usando la fórmula de Manning

Para calcular la velocidad del agua en una pendiente, podemos usar la fórmula de Manning, que es una ecuación empírica para estimar la velocidad del flujo en un canal abierto. La fórmula de Manning es:

\[ V = \frac{1}{n} \cdot R^{2/3} \cdot S^{1/2} \]

Donde:

( V ) es la velocidad del agua (m/s).
( n ) es el coeficiente de rugosidad de Manning (sin dimensiones).
( R ) es el radio hidráulico (m).
( S ) es la pendiente del canal (sin dimensiones).

Para este cálculo, asumiremos un coeficiente de rugosidad de Manning típico para un canal natural, que es aproximadamente ( n = 0.035 ).

Paso 1: Calcular el radio hidráulico (R)

El radio hidráulico se calcula como la relación entre el área de la sección transversal del flujo (A) y el perímetro mojado (P). Para simplificar, asumiremos una sección transversal rectangular con un ancho (b) de 10 metros y una profundidad (h) de 1 metro.

\[ R = \frac{A}{P} = \frac{b \cdot h}{b + 2h} = \frac{10 \cdot 1}{10 + 2 \cdot 1} = \frac{10}{12} \approx 0.833 \text{ metros} \]

Paso 2: Calcular la pendiente (S)

La pendiente ya la hemos calculado anteriormente como ( S = 0.0108 ).

Paso 3: Calcular la velocidad del agua (V)

Usamos la fórmula de Manning:

\[ V = \frac{1}{0.035} \cdot (0.833)^{2/3} \cdot (0.0108)^{1/2} \]

Calculando cada término:

\[ (0.833)^{2/3} \approx 0.877 \]

\[ (0.0108)^{1/2} \approx 0.104 \]

\[ V \approx \frac{1}{0.035} \cdot 0.877 \cdot 0.104 \approx 25.057 \cdot 0.091 \approx 2.28 \text{ m/s} \]

Paso 4: Calcular el tiempo de llegada

La distancia es de 83 kilómetros (83,000 metros). El tiempo se calcula como:

\[ \text{Tiempo} = \frac{\text{Distancia}}{\text{Velocidad}} = \frac{83,000 \text{ metros}}{2.28 \text{ m/s}} \approx 36,404 \text{ segundos} \]

Convertimos segundos a horas:

\[ 36,404 \text{ segundos} \approx 10.11 \text{ horas} \]

Por lo tanto, el tiempo estimado para que el agua llegue al punto más bajo es de aproximadamente 10.11 horas.

¿Qué parámetros del cálculo resultan menos relevantes durante episodios de lluvias muy intensas (>190 mm) que afectan durante horas a un territorio en forma de embudo?

En una orografía con relieve en forma de embudo y con lluvias acumuladas superiores a 190 mm, tanto el radio hidráulico como la fórmula de Manning pueden no ser los métodos más adecuados para estimar el tiempo de llegada de una riada. Esto se debe a varios factores:

Forma del terreno: Un relieve en forma de embudo puede acelerar significativamente el flujo de agua, ya que el agua se concentra y se canaliza hacia un punto central. Esto puede resultar en velocidades de flujo mucho más altas que las estimadas por la fórmula de Manning.
Intensidad de la lluvia: Con lluvias intensas superiores a 190 mm, el volumen de agua puede ser tan grande que los métodos tradicionales de cálculo de flujo pueden no ser precisos. La acumulación rápida de agua puede superar la capacidad de los canales naturales y artificiales.
Velocidad de flujo: En un terreno en forma de embudo, la velocidad del flujo de agua puede ser extremadamente alta debido a la pendiente pronunciada y la concentración del flujo. Esto puede resultar en tiempos de llegada mucho más cortos de lo esperado.
Factores adicionales: Otros factores como la rugosidad del terreno, la presencia de vegetación y obstáculos, y la capacidad de absorción del suelo también pueden influir en la velocidad y el comportamiento del flujo de agua.

En estos casos, es más adecuado utilizar modelos hidrológicos y hidráulicos avanzados que puedan simular el comportamiento del agua en condiciones extremas y en terrenos complejos. Estos modelos pueden tener en cuenta la forma del terreno, la intensidad de la lluvia y otros factores para proporcionar estimaciones más precisas del tiempo de llegada de una riada.

Contenidos relacionados:

Modelo para ayudar a localizar a desaparecidos arrastrados por riadas

SER (2024, 30 noviembre). "Un investigador de la UPV diseña un modelo hidráulico para ayudar a localizar a desaparecidos arrastrados en riadas". Cadena SER. https://cadenaser.com/comunitat-valenciana/2024/11/30/un-nuevo-modelo-hidraulico-busca-ayudar-a-localizar-a-desaparecidos-arrastrados-en-riadas-radio-valencia/

El proyecto se ha centrado en la zona del del barranco del Poio, desde el cruce con la A3 hasta su desembocadura en La Albufera, aunque es aplicable a cualquier otra zona

Resumen:

Desarrollo del modelo: Francisco Vallés, investigador de la Universitat Politècnica de València (UPV), ha desarrollado un modelo hidráulico para ayudar a localizar a personas desaparecidas tras episodios torrenciales.
Zona de estudio: El modelo se ha centrado en el barranco del Poio, desde el cruce con la A3 hasta su desembocadura en La Albufera, aunque es aplicable a otras zonas.
Trayectoria del flujo: El modelo permite estudiar la trayectoria del flujo desbordado, estimar la velocidad del agua y la altura alcanzada.
Potencia hidráulica: A partir de la información obtenida, se calcula la potencia hidráulica del flujo desbordado, clave para determinar la capacidad de arrastre de la corriente.
Umbral de arrastre: Se ha establecido un umbral para caracterizar hasta dónde la corriente puede arrastrar elementos, lo que ayuda a identificar áreas idóneas para la búsqueda de desaparecidos.
Datos utilizados: Para crear el modelo, se han utilizado datos topográficos, meteorológicos y de caudal de agua, incluyendo registros de la AEMET, AVAMET y la Confederación Hidrográfica del Júcar.
Reconstrucción del hidrograma: Con estos datos, se ha reconstruido el hidrograma del Poio y se ha analizado la mancha de inundación y el comportamiento de la riada en otras cuencas.
Celdas de cálculo: El modelo se ha generado utilizando 415,000 celdas de cálculo para conseguir una delimitación geográfica precisa del área de inundación.
Herramienta de apoyo: El modelo está ideado como una herramienta de apoyo para la búsqueda de personas desaparecidas desde el primer momento de un episodio torrencial.
Aplicabilidad: Aunque el modelo se ha basado en datos de la DANA del 29 de octubre, puede aplicarse a cualquier otro episodio similar.

Relevancia del parámetro de radio hidráulico en episodios de precipitaciones inusualmente intensas (>300 mm)

Algunas razones por las que el radio hidráulico es importante en este contexto:

Capacidad de transporte de caudal:
- Con precipitaciones tan intensas, los cauces y canales tendrán que evacuar enormes volúmenes de agua en poco tiempo.
- Un radio hidráulico bajo indicará una menor capacidad de transporte, aumentando el riesgo de desbordamiento y desbordamiento.
Velocidad del flujo:
- Las lluvias extremas generarán flujos de agua a gran velocidad.
- Un radio hidráulico pequeño se asocia a mayores velocidades, lo que aumenta el riesgo de daños por arrastre y erosión.
Evaluación de la eficiencia hidráulica:
- Ante eventos tan extremos, la eficiencia de los sistemas de drenaje y canalización será fundamental.
- Un radio hidráulico bajo señalaría una menor capacidad de evacuación, incrementando el riesgo de inundaciones.
Modelización y simulación:
- Los modelos hidráulicos requieren el radio hidráulico como parámetro clave para simular el comportamiento de las inundaciones.
- Estos modelos son esenciales para evaluar el riesgo y diseñar medidas de mitigación adecuadas.

En resumen, en un evento de precipitaciones extremas como el descrito, el análisis del radio hidráulico sigue siendo muy relevante para calcular el riesgo de daños a personas e instalaciones por riada. Este parámetro proporciona información crucial sobre la capacidad de transporte, la velocidad del flujo y la eficiencia de los sistemas de drenaje, lo que ayuda a evaluar el riesgo y tomar las medidas de prevención y mitigación necesarias.

Uso de la fórmula de Manning en simulación hidráulica con Hec-ras

Rodríguez Soto, A. (2020). Delimitación de zonas inundables y medidas de mitigación de los riesgos de inundación en el municipio de Fuenlabrada al paso del arroyo Culebro [Master's thesis, Universidad Politécnica de Madrid]. Archivo Digital UPM. https://oa.upm.es/63110/1/TFM_ALBERTO_RODRIGUEZ_SOTO.pdf
Gabriel Barinas (23 mar 2021). Planicie de Inundación 3 - Simulación Hidráulica. https://www.youtube.com/watch?v=OsMA2YRmt8E&ab_channel=GabrielBarinas
Cirilo Bermudez ( 22 jul 2020). Manning Formula. https://youtu.be/guX640TjnKY
Diego Penagos (25 feb 2023). Como establecer el Coeficiente de rugosidad de Manning en Hec ras. https://youtu.be/BEGpCmmYwqI
Alberto M. Sánchez (2/07/2020). Modelamiento Hidráulico 1D en Hec-Ras 5.0.7 usando Ras Mapper. https://youtu.be/TZfHhXS5AcY

Sensores de caudal y red de telecomunicaciones para transmitir los datos

CHE (11 de nov. de 2022). 25 Aniversario SAIHEbro - ¿Qué es el SAIH? - Confederación Hidrográfica del Ebro. https://youtu.be/IGkVYxOXgt4