Tema 10 Protección contra Avenidas e Inundaciones (PDF)

TEMA 10 HIDRÁULICA.- PROTECCIÓN CONTRA AVENIDAS E INUNDACIONES. DEFENSAS 1. Introducción. En España las inundaciones provocadas por las avenidas son el desastre natural más importante y constituyen un grave problema social, económico y medioambiental. Existen referencias de más de 2...

TEMA 10 HIDRÁULICA.- PROTECCIÓN CONTRA AVENIDAS E INUNDACIONES. DEFENSAS 1. Introducción. En España las inundaciones provocadas por las avenidas son el desastre natural más importante y constituyen un grave problema social, económico y medioambiental. Existen referencias de más de 2.400 inundaciones ocurridas en los últimos 500 años. Una inundación consiste en una aportación extraordinaria de agua que aumenta el calado y la sección transversal del río, desbordando los márgenes habituales del mismo y provocando daños y afecciones. Una de las funciones más importantes de un embalse es laminar, que es la capacidad de almacenar parte del caudal punta que llega en situación de avenida, evitando daños aguas abajo. Esta capacidad también la tienen los ríos. Por lo tanto una protección importante contra las avenidas la proporcionan los embalses. Actualmente existen en España tres figuras normativas principales en relación con las presas, embalses y su seguridad. El Reglamento Técnico sobre Seguridad de Presas y Embalses (Reglamento), aprobado por O.M de 12 de marzo de 1996, es la norma básica que regula las presas de titularidad estatal y de concesión posterior a la entrada en vigor de aquel. Las presas de concesión anterior a la entrada en vigor el Reglamento se rigen por la Instrucción para el Proyecto, Construcción y Explotación de Grandes Presas (Instrucción), aprobada por O.M de 31 de marzo de 1967, si bien les son de aplicación determinados preceptos del Reglamento, según lo especificado en la Orden aprobatoria del mismo. Por otra parte. La directriz básica de Planificación de Protección Civil ante el riesgo de Inundaciones (Directriz), aprobada por Acuerdo del consejo de Ministros de 9 de Diciembre de 1994, establece preceptos sobre la clasificación de presas en función del riesgo potencial y sobre elaboración de planes de emergencia de presas, asumidos por el Reglamento y de aplicación a todas las presas con independencia de su titularidad. Cabria también citar la propia Ley de Aguas, el Reglamento del Dominio Público Hidráulico y el Reglamento de la Administración Pública del Agua y de la Planificación Hidrológica que, si bien no inciden directamente en aspectos concretos de la seguridad de las presas, establecen el marco normativo general en relación con la administración y gestión del Dominio Público Hidráulico, en el que están incluidos los embalses. 115 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. De este marco normativo actual en España destacamos, por un lado, la existencia de dos normas de seguridad diferentes y en vigor (el Reglamento y la Instrucción), concebidas para regular el diseño, construcción, explotación y abandono de presas y aplicables en función de la titularidad de las presas, más una tercera norma (la Directriz) aplicable a todas las presas aunque limitada a la clasificación en función del riesgo potencial de rotura y a la elaboración de planes de emergencia. Destaca también, por otro lado, el bajo rango normativo otorgado a la regulación de la seguridad de las presas y embalses (tanto el Reglamento como la Instrucción se aprueban por Orden Ministerial). La gestión de un embalse en una cuenca no puede ser local, se debe tener en cuenta el efecto que la regulación de un embalse ejerce sobre toda la cuenca. En las cuencas de los ríos importantes son múltiples las presas que colaboran en la aportación del caudal que circula por el río principal. El control y la regulación de los caudales circulantes se realizan en cada Cuenca Hidrográfica con el Sistema Automático de Información Hidrológica (S.A.I.H.). 2. Sistema Automático de Información Hidrológica (S.A.I.H.) El S.A.I.H. consiste en un conjunto de instalaciones, equipamientos y procesos que permiten conocer en tiempo real los valores de las variables hidrológicas (precipitaciones, niveles y caudales) con lo que se puede predecir el hidrograma de la avenida en determinados tramos del río. Además de la previsión y actuación en avenidas, el sistema permite una mejor gestión de los recursos hidráulicos, abastecimiento y regadíos, una mejora de la información hidrológica y, por último, al facilitar información en tiempo real sobre la situación de los embalses, permitiendo actuaciones inmediatas sobre esta situación, se consigue el objetivo más ligado de forma específica al Programa General de Seguridad y Explotación de las Presas del Estado, que es el perfeccionamiento de los medios y dispositivos de seguridad de presas. a) Funciones del sistema Son las siguientes: a) Captación automática de datos por medio de sensores. b) Control, elaboración y almacenamiento de estos datos, mediante microprocesadores. c) Transmisión de datos elaborados a través de una red de transmisión. d) Interpretación de estos datos, elaboración de la información y ayuda a la toma de decisiones por medio de sistemas informáticos. 116 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. b) Composición del sistema El alcance del Sistema es peninsular, de tipo radial, con centro en el Centro Nacional de Seguimiento, distribuido en tantos sistemas parciales como cuencas hidrográficas teóricas existen. El sistema está estructurado en tres niveles: a) Nivel inferior. Está constituido por una red de “puntos de control”, dotados de sensores, distribuidos por toda la cuenca, cuya función es captar automáticamente y transmitir en tiempo real los datos que constituyen la fuente de información del sistema: precipitaciones, temperaturas, altura de láminas de agua, velocidades, apertura de compuertas, etc. b) Nivel medio. La red de puntos de control se subdivide en diferentes zonas, en cada una de las cuales se selecciona, de entre los puntos de control, uno, denominado “punto de concentración”, cuyas funciones principales son: 1.- Recibir la información transmitida desde los puntos de control que dependen en cada punto de concentración y transmitirla al Centro de proceso de la cuenca. 2.- Llevar a cabo un primer tratamiento informático de los datos, para facilitar la tarea de los responsables locales de la explotación del sistema hidráulico. Los puntos de concentración suelen estar situados en los embalses principales o en las oficinas regionales de las Confederaciones hidrográficas. c) Nivel superior. Constituido por el “Centro de proceso” que, emplazado en las oficinas centrales de cada Confederación, se ocupa de: 1.- Recibir y archivar, automáticamente, la información transmitida desde todos los puntos de concentración. 2.- Procesar los datos mediante los sistemas pertinentes de programas y modelos. 3.- Cumplimentar las decisiones de explotación tomadas por los responsables de la cuenca. Las comunicaciones están previstas, vía radio que es el procedimiento que garantiza mejor la conexión en las circunstancias difíciles, desde el punto de vista climatológico, en que deberá trabajar muchas veces el sistema. Actualmente en algunos SAIH se está utilizando comunicaciones por satélite. El Centro de proceso interroga periódicamente a todos los puntos de concentración, en un proceso de barrido cuya frecuencia se puede ajustar; cada punto de concentración, por su parte, interroga de forma análoga a todos los puntos de control que dependen de él. 117 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. 3. Gestión integral de las avenidas El R.D. 927/88, de 29 de julio, por el que se aprueba el Reglamento de la Administración Pública del Agua y de la Planificación Hidrológica establece en su artículo 49: 1. En casos de avenidas u otras circunstancias de tipo excepcional se constituirán automáticamente en Comité Permanente el Presidente del Organismo, el Comisario de Aguas, el Director técnico y el Jefe de Explotación. Este comité permanente podrá adoptar las medidas que estime oportunas, incluso embalses y desembalses extraordinarios, sin necesidad de oír a la Comisión de Desembalse de la cuenca, debiendo dar cuenta inmediata de su actuación a la Dirección General de Obras Hidráulicas y poner en conocimiento de la propia Comisión el conjunto de medidas adoptadas. Todo ello sin perjuicio de lo regulado al efecto en materia de protección civil. 2. El Comité Permanente será Órgano de información y asesoramiento de las autoridades competentes en materia de protección civil en las emergencias por inundaciones. 3. El Comité Permanente se constituirá a la mayor brevedad posible, por iniciativa de cualquiera de sus miembros. Durante el plazo que transcurra entre el momento en que se conozca la emergencia y la constitución del Comité Permanente antes indicado, quien haya promovido su constitución podrá acordar medidas con carácter de urgencia debiendo ponerlas en conocimiento del Comité, tan pronto como se constituya, así como del Gobernador civil de la provincia. Esto quiere decir por ejemplo que por encima de la gestión unitaria de un embalse incluso en situación de emergencia de éste, el Comité Permanente puede realizar una gestión diferente a la especificada en el plan de emergencia de la presa en beneficio de toda la cuenca. 4. Avenidas y su laminación El estudio de avenidas es particularmente útil para el dimensionamiento de desvíos y aliviaderos en presas, así como el proyecto de obras de defensa contra otras inundaciones, redes varias, etc. Hay que evaluar tanto el caudal máximo instantáneo como el volumen de la aportación (este último valor tiene especial importancia cuando se prevé un efecto de laminación en los embalses). Los datos básicos de que conviene disponer son: - Series de caudales máximos diarios y máximos instantáneos. - Series de máximas precipitaciones en 24 o 12 h. de intervalos menores. - Estudios de precipitaciones y caudales. - Coeficiente de escorrentía, pendiente, tiempo de concentración, etc. 118 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. a) Tiempo de concentración y líneas de isócronas Se llama tiempo de concentración de una cuenca al tiempo que tarda en proporcionar su aportación al caudal fluyente del río, el punto de la cuenca que lo hace con mayor retraso. El tiempo de concentración depende del camino que ha de recorrer el agua hasta reunirse y llegar al sitio donde se estudia la avenida, y de la velocidad a que puede recorrer ese camino. Los tiempos de concertación se calculan mediante formulas empíricas. Las velocidades del agua que escurre se han medido directamente en diversas cuencas españolas. Fijada la velocidad de escorrentía se puede dibujar el plano de isócronas de la cuenca. Las isócronas son las curvas cuyos puntos tienen igual tiempo de concertación. b) Coeficiente de escorrentía Se llama coeficiente de escorrentía aquel que multiplicado por la precipitación total de la parte que corre por el terreno y contribuye a la aportación del río. El resto de la precipitación, parte se infiltra y otra parte se evapora. Si la precipitación es muy pequeña, puede evaporarse o infiltrarse toda el agua caída resultando cero el coeficiente de escorrentía. La evaporación decrece y disminuye la infiltración por estar saturado el terreno, pudiendo llegar el coeficiente de escorrentía a tomar un valor muy próximo a 1. Las curvas con puntos de igual escorrentía se denominan “isopletas”. Tal como se ha dicho anteriormente el conocimiento de las avenidas es importante para el dimensionamiento de los diferentes desagües de una presa. Los desagües pueden proyectarse de modo que puedan evacuar incluso el caudal máximo de crecida, pero es preferible que parte del agua quede en el embalse a costa de una sobreelevación transitoria del mismo, porque así disminuye el máximo caudal que continua por el río, y por tanto serán menores los daños que puedan producirse aguas abajo. Esta reducción del caudal punta es lo que se llama “laminación de la crecida”. Para estudiar hasta qué punto es realizable, es necesario conocer la forma de la onda de crecida y el volumen de agua que representa. Es evidente que para cada punto del río, cuanto mayor sea el periodo que se considere, mayor será la avenida que puede producirse; por consiguiente no es correcto hablar del caudal máximo de avenidas, sino del caudal de avenida Q, correspondiente a un periodo de recurrencia o de retorno de T años. Podemos asociar a cada caudal de riada Qr, un periodo de retorno de T años, definido por la 119 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. condición de ser igual a 1/T la probabilidad de que en un año cualquiera, se presente una avenida igual o mayor que Qr. Para determinar las avenidas que pueden presentarse en el río podemos utilizar a) Datos de aforos en el río, b) Datos de precipitaciones en la cuenca, c) Datos de otras cuencas, d) Formulas empíricas, e) Datos de avenidas históricas. a) Se hacen aforos durante la crecida correlacionando los caudales con distintas alturas de escala. b) El método hidrométrico de las curvas isócronas consiste en reproducir teóricamente el fenómeno de formación de crecidas, estimando racionalmente las variables que en el intervienen, para obtener los hidrogramas (curvas tiempos caudales) de las avenidas. c) Si inmediata a la cuenca que nos interés existiese otra de características (extensión, pendientes de laderas, vegetación, orientación respectos de vientos, etc.) totalmente análogas, conociendo las avenidas en esta segunda cuenca podemos considerar conocidas las avenidas de la nuestra. d) En cuencas pequeñas y en regiones despobladas es frecuente que falten de una manera casi absoluta, los datos sobre avenidas y precipitaciones. Por ello se ha intentado desarrollar formulas empíricas que proporcionan los caudales de avenidas en función de las características geográficas de la cuenca. Es necesario que estas fórmulas empíricas hayan sido deducidas en cuencas hidrológicamente similares pues de otro modo pueden inducir a errores considerables. e) Son aquellas avenidas acaecidas en época pasada que por su magnitud excepcional dejaran viva impresión en los habitantes de las zonas afectadas y de las cuales es frecuente encontrar testimonios históricos, unas veces en documentos escritos otros en marcas e inscripciones que señalan hasta donde alcanzo el agua El conocimiento de niveles máximos del río en un periodo que abarque varios siglos puede proporcionar el camino más seguro para determinar las máximas a venidas que son de esperar en el futuro. Ahora bien aunque los testimonios recogidos fuesen exactos para tener certeza de que no cometeremos errores importantes al calcular los caudales será necesario comprobar que desde que se produjo la crecida histórica hasta nuestro días se mantienen en el río las mismas condiciones de desagüe. Todos los ríos tienen un cauce cambiante a lo largo del tiempo, ya sea por estar en fase erosiva, o bien porque van depositando sedimentos, pero además el hombre ha podido alterar sustancialmente el cauce de avenidas, talando o 120 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. plantando árboles o con la construcción o demolición de obras que pudieran controlar el nivel del agua en el tramo considerado. c) Obtención de los hidrogramas Una vez definidas las distintas variables que intervienen en el fenómeno hidrológico de formación de crecidas se dispone de todos los datos necesarios para trazar los hidrogramas de avenidas de diversos periodos de retorno. El caudal debido a la precipitación de intensidad I en cada una de las zonas del área “Si” comprendida entre cada par de isócronas consecutivas esta dado por e * I * Si Qi = 3,6 * 10 6 siendo “e” el coeficiente de escorrentía,”l” la intensidad en mm/h, Si , la superficie en m2, Qi el caudal en m3/sg. Sumando estos caudales parciales, teniendo en cuenta para cada uno la duración del aguacero y el desfase de tiempo entre ellos se obtiene el hidrograma de avenida buscado. Las restantes hojas parciales darán una ley de caudales similar. Dibujados todos los caudales parciales y sumándolos por fajas verticales se obtiene la ley de caudal total. Hasta aquí se ha hablado de aportaciones procedentes de precipitación acuosa. Puede ocurrir que contribuya también a la información de la avenida la fusión rápida de nieve acumulada en la cuenca. Es frecuente sobreestimar el caudal de crecidas debido a la fusión de nieve. Tanto la insolación como un viento templado dan lugar a una aportación menos considerable que la de un fuerte aguacero. Suponiendo que cae lluvia a la temperatura de 8ºC sobre una zona cubierta de nieve, cada 10 mm de precipitación de lluvia solo pueden fundir una cantidad de nieve equivalente a 1 mm de agua, luego el efecto sería como aumentar la precipitación en el 10%. 121 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. d) Actuaciones frente a las avenidas Los objetivos generales de las actuaciones frente a las avenidas son los de prevenir y reducir los daños producidos por las mismas. Estas actuaciones se pueden clasificar del modo siguiente: A. Actuaciones para interferir en los mecanismos de formación y propagación de las avenidas (soluciones estructurales): 1) Corrección de cuencas y conservación de suelos. 2) Embalse de laminación y regulación. 3) Obras en cauces (Protecciones, encauzamientos, correcciones, trasvases, obras de drenaje). B. Actuaciones para impedir o reducir los daños producidos por las inundaciones (Soluciones no estructurales): 1) Elaboración de mapas de riesgo 2) Implantación de zonificaciones con normas de uso del suelo. 3) Sistemas de seguros 4) Regulación legal general para las actuaciones frente a las avenidas. C. Actuaciones para prever, y así poder reducir, los daños producidos por las inundaciones. 1) Sistemas de alarma y previsión de avenidas. 2) Planes de Protección Civil. 5. Defensas a) Defensas en ríos Durante las crecidas, el caudal y la velocidad de la masa liquida aumentan en forma considerable la fuerza erosiva del agua y su capacidad de transporte. Así, un corto periodo de tiempo basta para provocar cambios sensibles en la morfología de los márgenes y del lecho del rio, ocasionando desbordes significativos. Para minimizar o incluso anular dichos desbordes, una adecuada defensa ribereña, un enrocado o la construcción de espigones, pueden ser ciertamente efectivos para prevenir este tipo de datos. Defensas ribereñas. Las defensas ribereñas son estructuras construidas para proteger de las crecidas de los ríos las áreas aledañas a estos cursos de agua. La forma y el material empleado en su construcción varia, fundamentalmente en función de: − Los materiales disponibles localmente − El tipo de use que se da a las áreas aledañas. Generalmente en áreas rurales 122 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. se usan diques de tierra, mientras que en las áreas urbanas se utilizan diques de hormigón. Taludes. La protección mediante el tratamiento de taludes puede realizarse de varias formas: Mediante la plantación de especies vegetales apropiadas para crecer en el agua. Recubriendo las márgenes, en la franja donde oscila el agua con una escollera, (rocas sueltas acomodadas en forma más o menos irregular en el talud a ser protegido,). Este método es muy usado en los taludes aguas arriba de las presas hidráulicas. Recubriendo el talud con una placa de hormigón con un revestimiento en piedra. Espigones. Un espigón es una estructura lineal (predomina la longitud sobre las otras dimensiones) construida con bloques de piedras de dimensiones considerables, o de elementos prefabricados de hormigón, cuando la piedra es escasa, colocados dentro del agua, en ríos, arroyos o próximos a la costa marítima, con la intención de dirigir el flujo en alguna dirección determinada, reducir el oleaje o favorecer la decantación de arena. b) Limpieza de cauces La limpieza de los cauces es fundamental. Su fin de evitar obstrucciones en los cauces, desbordamientos, inundaciones y percances a los vecinos que habitan cerca de ríos y barrancas. En este sentido, la limpieza de los cauces previene y palia los efectos de las posibles riadas. El objeto de la limpieza es eliminar todos los elementos no naturales que existan en el rio. No obstante, no pueden ignorar los ecosistemas fluviales y en particular los hábitats existentes en las márgenes o riberas. Las operaciones de limpieza no deben realizarse con el criterio implícito de que los cauces deben ser convertidos en meros canales de desagüe. Hay que tener en cuenta que dentro de ellos y en su entorno viven multitud de seres vivos que pueden verse afectados por estas operaciones. Es fundamental que las operaciones de limpieza afecten lo menos posible al rio y a la vegetación de ribera, de la cual pueden depender multitud de especies y en este sentido, debe tenerse especial precaución con los accesos de la maquinaria necesaria para realizar las diferentes tareas. c) Actuaciones en los cauces Con la finalidad de evitar inundaciones u otras distintas se realiza diferentes intervenciones en los cauces. Las obras que pueden citarse en corrientes naturales son las siguientes: 123 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. − Creación de cauces de alivio. También llamados desvíos de caudales altos o vertederos, son canales de desvió naturales o artificiales, o conductos que envían las aguas fuera de los centros urbanos, o áreas pobladas de alta densidad. Más abajo, el agua puede ser devuelta al rio, donde se origino. Cada estructura de protección se calcula para un determinado caudal, que corresponde a un tiempo medio de retorno. − Obras transversales para control torrencial. Operan como pequeñas presas vertedero. Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo en un tramo especifico, aguas arriba de la obra. Actúan como estructura de control. Pueden fallar por mala cimentación, o por socavación generada inmediatamente aguas abajo. − Espolones para favorecer los procesos de sedimentación. Son efectivos cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de sedimentos en suspensión. Son estructuras permeables, cuyo objetivo es inducir la sedimentación en un tramo adyacente, aguas arriba de las obras. Pueden fallar por erosión en la punta del espolón o en el tramo inmediatamente aguas abajo. − Obras marginales de encauzamiento. Son obras que se construyen para encauzar una corriente natural hacia una estructura de paso, por ejemplo un puente, alcantarilla, etc. Deben tener transiciones de entrada y salida. En el diseño debe considerarse que estas obras de encauzamiento producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente incremento en la socavación del lecho. − Acorazamiento del fondo. Consisten en refuerzo del lecho con material de tamaño adecuado, debidamente asegurado, que no pueda ser transportado como carga de fondo. Algunas veces la dinámica del rio produce tramos acorazados en forma natural. El fondo acorazado es un control de la geometría del cauce. − Otras actuaciones. Otras modificaciones al cauce que se pueden realizar son dragarlo para que sea más ancho o profundo, emparejar el lecho o las paredes, o enderezarlo; todo esto ayuda aumentar la velocidad del agua que pasa por el sistema, e impedir las inundaciones. Al enderezar el canal, eliminado los meandros, se reduce el riesgo de que el agua rompa la orilla del rio en la parte exterior de las curvas, donde la corriente es más rápida y el nivel es más alto. d) Tipos de defensas en ríos Los diferentes tipos de defensas en ríos se recogen en el cuadro adjunto. En dicho cuadro se indican los lugares donde se aplican las defensas, las características de cada uno y la finalidad con que se construyeron. 124 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. 7.5. Materiales utilizados en defensas de ríos Para proteger las márgenes de los ríos se utilizan diversos materiales como: Escollera: Consiste en la colocación de grandes bloque de piedra superpuestos unos sobre otros. Figura Nº 1: Sistema corrector de una cuenca torrencial Gaviones: Están formados por una malla metálica de forma prismática rectangular, rellena de piedra. Las piezas así formadas se colocan de manera que van conformando un muro de protección. Hormigón armado: En zonas urbanas se utiliza hormigón armado, bien colocado “ in situ” o en forma de placas prefabricadas. En la actualidad se están empleando técnicas de bioingeniería que consisten en utilizar materiales naturales como plantas, troncos de árboles tierra vegetal, etc. Existen varios sistemas: Esta técnica consiste en la colocación de una cama de ramas vivas de sauce en el talud de la orilla. Las ramas vivas, se fijan al terreno mediante piquetas metálicas o de madera, uniéndose por medio de hilo galvanizado. Las ramas se cubren parcialmente de tierra, forma que al menos la mitad de la superficie quede expuesta a los rayos del sol y permita la brotación. El pie de la estructura se estabiliza mediante bloques de piedra de escollera. Otra opción puede ser, en lugar de las escolleras propuestas, la ejecución de un muro Krainer. Este muro consiste en la ejecución de un muro de gravedad formado por troncos de madera que forman una estructura celular. El interior se rellena de tierra y piedras, insertándose ramas vivas, plantas enraizadas y fajinas. La madera se deteriora 125 Tema 9: Evaluación y auscultación de las obras e instalaciones hidráulicas. con el paso de los años, pero la estabilidad se debe al paramento externo vegetado con especies leñosas de enraizamiento profundo. Es una técnica costosa pero que permite una estabilización de riberas incluso en condiciones de fuerte erosión. También existe la opción de colocar una malla geotextil biodegradable, y el estaquillado para su enraizamiento y sujeción con especies autóctonas de la zona. Se puede prescindir de la cimentación de la actuación mediante dos filas de piedras escollera bajo el nivel del agua. 126