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ESTUDIO HIDROMETEOROLÓGICO Y GEOMORFOLÓGICO DE DIEZ QUEBRADAS

DEL VALLE DE ABURRÁ

Trabajo de Grado Presentado como requisito para optar el Título

de Maestría en Ciencias de la Tierra

Por:

Juan José Montoya M. Jorge Eduardo Patiño Q.

Director:

Michel Hermelin

Asesores:

Geovany Bedoya S. Rafael Madrigal

Maestría en Ciencias de la Tierra

Departamento de Geología Universidad EAFIT

Medellín 15 de Agosto de 2001

15 de Agosto de 2001

ESTUDIO HIDROMETEOROLÓGICO Y GEOMORFOLÓGICO DE 10 QUEBRADAS DEL VALLE

DE ABURRÁ

Secretaría Privada SIMPAD

CORANTIOQUIA Sobretasa Ambiental

Universidad EAFIT Maestría en Ciencias de la Tierra

Instituto Mi Río

ESTUDIO HIDROMETEOROLÓGICO Y GEOMORFOLÓGICO DE 10 QUEBRADAS DEL VALLE DE ABURRÁ


i

Tabla de contenido Página

1 Introducción 1

1.1 Objetivos generales 3

1.2 Objetivos específicos 4

1.3 Descripción de la zona de estudio 4

1.3.1 Zona suroccidental 6

1.3.2 Zona centro - occidental, cuenca de la quebrada La Iguaná 9

1.3.3 Zona centro – oriental 10

1.3.4 Zona noroccidental 11

1.3.5 Cuenca de la quebrada Doña María, corregimiento de San Antonio de Prado

12

2 Metodología 14

2.1 Revisión de información secundaria 14

2.2 Reconocimiento preliminar de las cuencas 15

2.3 Instrumentación hidrometeorológica 15

2.4 Modelo y análisis cartográfico 15

2.4.1 Generación de zonas homogéneas 16

2.4.2 Determinación en campo de coeficientes de escorrentía 16

2.4.3 Análisis hidrológico 18

2.4.4 Análisis hidráulico 19

2.5 Construcción de mapas de amenazas 19

2.6 Validación del modelo 20

2.7 Conclusiones y recomendaciones 20

3 Revisión de información secundaria 21

3.1 Revisión de material bibliográfico (Tesis y trabajos) 21

3.1.1 Biblioteca Central de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín (Efe Gómez)

21

3.1.2 Centro de Documentación del Postgrado en Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos, Facultad de Minas

22

3.1.3 Biblioteca de la Facultad de Minas 22

3.1.4 Centro de Documentación del Instituto Mi Río 24

3.1.5 Biblioteca Central, Universidad De Antioquia 25

3.1.6 Biblioteca de las Empresas Públicas de Medellín 26



ii

Página

3.1.7 Biblioteca de la Universidad EAFIT (Luis Echavarría Villegas) 27

3.2 Revisión e interpretación de imágenes de satélite y fotografías aéreas 27

3.3 Revisión de cartografía básica y temática 29

Revisión de datos hidrometeorológicos 31

4 Instrumentación 33

5 Análisis Cartográfico 37

5.1 Procesamiento de información base 37

5.1.1 Modelos de elevación digital 37

5.1.2 Generación de divisorias de aguas a partir de los modelos de elevación digital

41

5.1.3 Generación de redes de drenaje a partir de los modelos de elevación digital

43

5.1.4 Redes de drenaje con números de orden según Strahler y Shreve 45

5.1.5 Curvas hipsométricas de las cuencas 48

5.1.6 Análisis de pendientes 51

5.1.7 Parámetros morfométricos de las cuencas obtenidos a partir del MDE 54

5.2 Superposición de mapas para la generación de zonas homogéneas 57

5.3 Análisis Espacial 65

6 Determinación de coeficientes de escorrentía 72

6.1 Características del Simulador de Lluvias Portátil 74

6.1.1 Unidad de Alimentación y Control 74

6.1.2 Cabeza del Simulador 75

6.1.3 Trípode de soporte y pantalla contra el viento 76

6.1.4 Unidad de base 77

6.1.5 Sistema para medir la escorrentía 79

6.2 Procedimiento del ensayo de simulación de lluvias 80

6.3 Errores observados en los ensayos de simulación de lluvias 83

6.3.1 Errores debidos al funcionamiento del equipo 84

6.3.2 Errores de lectura 84

6.4 Localización de los ensayos de simulación de lluvias 84

6.5 Presentación, análisis y extrapolación de datos 86

6.5.1 Comportamiento del coeficiente de escorrentía durante un ensayo 86

6.5.2 Intensidad vs Coeficiente de Escorrentía 91

6.6 Criterios de extrapolación a otras zonas homogéneas 104

Estructura de los archivos



iii

Página

6.7 Manejo de resultados en el Sistema de Información Geográfica 104

7 Análisis Hidrológico 107

7.1 Descripción del modelo hidrológico aplicado 107

7.2 Cálculo del tiempo de concentración para las cuencas 109

7.3 Definición de lluvias 111

7.4 Caudales generados a partir del método racional distribuido 117

7.5 Cálculo de caudales a partir de la aplicación de modelos agregados 122

7.5.1 Método de las Ecuaciones de Regionalización de las Características Medias de Smith et al. (1997)

122

7.5.2 Método Racional Probabilístico 126

7.5.3 Método de Índice de Crecientes 128

7.5.4 Hidrogramas Sintéticos, Modelo del Servicio de Conservación de Suelos de los Estados Unidos

130

7.5.5 Hidrogramas sintéticos, Modelo de Williams y Hann 137

7.6 Comparación de caudales máximos determinados según diferentes métodos

142

7.7 Comparación de caudales máximos con otras investigaciones 148

8 Análisis hidráulico 151

8.1 Datos geométricos 151

8.2 Datos de caudal 155

8.3 Datos de salida 156

9 Mapas preliminares de amenaza por inundación 160

10 Análisis del evento del 16 de septiembre de 1988 163

10.1 Descripción del evento 163

10.2 Resultados arrojados por el modelo para un evento similar al del 16 de septiembre de 1988

168

10.3 Comparación de resultados con los registros del evento 171

11 Aforos en estaciones limnimétricas y limnigráficas 172

11.1 Lista de Estaciones 172

11.2 Observaciones de campo 172

11.3 Realización de Aforos 178

11.4 Resultados de los aforos 180

11.4.1 Altavista Almacén EEPPM 180

11.4.2 Picacha Conquistadores 182

11.4.3 Hueso Metro Floresta 183



iv

Página

11.4.4 Ana Díaz Colegio Jesús María 183

11.4.5 Quintana Carrera 65 184

11.4.6 Iguaná Carrera 74 185

11.4.7 Santa Elena Plaza Minorista 186

12 Conclusiones y recomendaciones 189

13 Bibliografía 194

Anexos



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Lista de tablas Página

Tabla 1. Cuencas de la zona suroccidental (Tomada de Mi Río, 1995). 7

Tabla 2. Cuencas de la zona noroccidental (Tomada de Mi Río, 1995). 11

Tabla 3. Relación de fotografías aéreas utilizadas en la interpretación. 28

Tabla 4. Estaciones del IDEAM con datos diarios de precipitación. 32

Tabla 5. Localización preliminar de estaciones en las cuencas de estudio. 33

Tabla 6. Localización de las estaciones hidrológicas y meteorológicas instaladas por el SIMPAD en el Valle de Aburrá.

35

Tabla 7. Intervalos de agrupamiento natural para la clasificación de pendientes, determinados por el método de Quiebres Naturales, para las cuencas del estudio.

53

Tabla 8. Parámetros morfométricos de las cuencas obtenidos a partir de los modelos de elevación digital.

55

Tabla 9. Índices de forma de las cuencas del estudio trabajadas hasta el momento.

56

Tabla 10. Densidad de drenaje en km/km2 para las cuencas del estudio, con base en la información obtenida de las redes de drenaje generadas a partir de los MDEs.

57

Tabla 11. Codificación para el mapa de Formaciones Superficiales. 62

Tabla 12. Codificación para el mapa de Usos del Suelo. 62

Tabla 13. Codificación para el mapa de Pendientes por cuencas. 63

Tabla 14. Zonas homogéneas para la cuenca de la quebrada La Quintana, número de celdas pertenecientes a cada zona, área y porcentaje de la misma en la cuenca descartando la zona urbana, cuyos códigos comienzan por 4.

66

Tabla 15. Zonas seleccionadas para ensayos con simulador de lluvias en cada cuenca, área cubierta por bosques y su porcentaje de área sobre el área rural de la misma.

70

Tabla 16. Ejemplo de toma de datos en el ensayo de simulación de lluvias de 1 hora de duración.

82

Tabla 17. Ejemplo de resultados para los datos de la tabla 19. 82

Tabla 18. Lecturas de campo y resultados del ensayo 12. 87




Tabla 22. Ecuaciones de regresión del Coeficiente de escorrentía en función de la Intensidad y comparación de los coeficientes de correlación para cada sitio. Con amarillo se señala la ecuación de regresión escogida para cada sitio.

91



vi

Página

Tabla 23. Tiempos de concentración en minutos para las cuencas estudio. 111

Tabla 24. Parámetros de las ecuaciones de las curvas IDF para la estaciones ubicadas en la zona de estudio (tomado de comunicación escrita de EEPPM, Area de Hidrometría e Instrumentación, abril de 2000).

112

Tabla 25. Intensidades de lluvia para cada cuenca con respecto a diversos períodos de retorno.

117

Tabla 26. Caudales máximos instantáneos en los puntos más bajos de las quebradas analizadas, para diversos períodos de retorno, obtenidos siguiendo el método racional distribuido.

121

Tabla 27. Precipitación promedia multianual de las estaciones utilizadas en los cálculos de caudales máximos de las quebradas del estudio (datos tomados de: EEPPM, 1990. Anuario Hidrometeorológico).

124

Tabla 28. Precipitación media anual en cada cuenca estimada por el método de los polígonos de Thiessen y área de influencia de cada estación en cada cuenca.

124

Tabla 29. Parámetros morfométricos utilizados y características medias de los caudales máximos instantáneos, según el método de las ecuaciones de regionalización de Smith et al. (1997).

125

Tabla 30. Caudales máximos instantáneos calculados con las ecuaciones de regionalización propuestas por Smith et al. (1997).

126

Tabla 31. Coeficientes de escorrentía probabilísticos para las cuencas de las quebradas de estudio (tomados de las figuras 5.1 a 5.7 de Smith et al., 1997).

127

Tabla 32. Caudales máximos instantáneos calculados utilizando el método racional agregado con coeficientes de escorrentía probabilísticos.

128

Tabla 33. Caudales Q2.33 en m3/s para los puntos más bajos de las cuencas de drenaje consideradas en el estudio, considerando su área de drenaje en km2 y utilizando la ecuación para la cuenca del río Medellín: Q2.33 = -0.00006 A2 + 0.3166 A + 10.789.

129

Tabla 34. Caudales máximos calculados en m3/s por el método del índice de crecientes y la relación Q/Q2.33 = -0.4461 FX(X)2 + 1.0492 FX(X) + 0.6593, para los puntos más bajos de las cuencas de drenaje consideradas en el estudio.

130

Tabla 35. Caudales máximos calculados en m3/s por el método del índice de crecientes y la relación Q/A = -0.1648 FX(X)2 + 0.397 FX(X) + 0.1214, para los puntos más bajos de las cuencas de drenaje consideradas en el estudio.

130

Tabla 36. Cálculo del CN para la cuenca de la quebrada La Hueso. 131

Tabla 37. CN para las cuencas de estudio. 132

Tabla 38. Parámetros para la construcción del hidrograma unitario sintético del SCS.

133

Tabla 39. Cálculo de la precipitación efectiva según el método del SCS para lluvias máximas en la cuenca de la quebrada La Hueso.

136



vii

Página

Tabla 40. Caudales máximos instantáneos en m3/s obtenidos según el método del Hidrograma Sintético, según el SCS.

137

Tabla 41. Parámetros y tiempos del hidrograma unitario sintético de Williams y Hann calculados para la cuenca de la quebrada La Hueso.

140

Tabla 42. Caudales máximos para las cuencas del estudio determinados por el método de Williams y Hann.

141

Tabla 43. Caudales máximos de 100 años de periodo de retorno para cada quebrada, determinados según los diferentes métodos.

142

Tabla 44. Comparación de caudales máximos determinados por Duque y Nigrinis (1992), Alvarado (1994) y en la presente investigación para la quebrada Doña María.

149

Tabla 45. Comparación de caudales máximos determinados por Salazar y Betancur (1991) y en la presente investigación para la quebrada La Picacha.

149

Tabla 46. Comparación de caudales máximos determinados por Salazar y Betancur (1991) y en la presente investigación para la quebrada Ana Díaz.

150

Tabla 47. Comparación de caudales máximos determinados por Salazar y Betancur (1991) y en la presente investigación para la quebrada La Hueso.

150

Tabla 48. Extracto de la tabla de valores generada por el SIG Arcinfo al hacer las secciones transversales de la cuenca de la quebrada La Hueso (ST 01 HU).

152

Tabla 49. Altura máxima de agua para diferentes períodos de retorno para las secciones transversales definidas en las quebradas Ana Díaz y La Picacha. Datos arrojados por el programa HEC-RAS.

157

Tabla 50. Caudales máximos para una intensidad de 110 mm/hr, según el método racional distribuido, para los puntos más bajos de las quebradas.

168

Tabla 51. Lista de estaciones para medición de nivel de agua en las quebradas, instaladas por el SIMPAD a 27 de junio de 2001.

172



viii

Lista de figuras Página

Figura 1. Localización de la ciudad de Medellín en un contexto regional. 5

Figura 2. Localización de las cuencas seleccionadas para el estudio en el Valle de Aburrá.

6

Figura 3. Esquema de las cuencas de la zona suroccidental en el Valle de Aburrá.

8

Figura 4. Esquema de la cuenca de la quebrada La Iguaná. 9

Figura 5. Esquema de las cuencas de las quebradas Santa Elena y La Castro. 10

Figura 6. Esquema de las cuencas Minitas y La Quintana, de la zona noroccidental del Valle de Aburrá.

11

Figura 7. Esquema de la cuenca Doña María, en el Corregimiento de San Antonio de Prado.

13

Figura 8. Modelo cartográfico del estudio. 17

Figura 9. Distribución de las estaciones pluviográficas, limnimétricas y limnigráficas instaladas por el SIMPAD.

36

Figura 10. Diagrama de flujo. Generación de modelos de elevación digital, divisorias de agua y redes de drenaje.

40

Figura 11. Modelo de elevación digital para la cuenca de la quebrada La Castro.

41

Figura 12. Dirección de flujo: el valor representado es el valor que toma la celda del centro de acuerdo con la diferencia de alturas de las celdas vecinas.

42

Figura 13. Aplicación de la función flowdirection en un modelo de elevación digital hipotético.

42

Figura 14. Aplicación de la función flowaccumulation en una matriz de dirección de flujo.

44

Figura 15. Número de orden según Strahler. 46

Figura 16. Número de orden según Shreve. 46

Figura 17. Números de orden de la red de drenaje de la cuenca de la quebrada La Castro, según Strahler.

47

Figura 18. Números de orden de la red de drenaje de la cuenca de la quebrada La Castro, según Shreve.

48

Figura 19. Curva hipsométrica de la cuenca de la quebrada La Castro. 49

Figura 20. Cálculo de la pendiente para cada celda. 51

Figura 21. Histograma de frecuencias o distribución natural de las pendientes en la cuenca de la quebrada La Castro.

52

Figura 22. Mapa de pendientes clasificadas de la cuenca de la quebrada La Castro.

54



ix

Página

Figura 23. Mapa de usos del suelo de la cuenca de la quebrada La Castro. 59

Figura 24. Mapa de Formaciones Superficiales de la cuenca de la quebrada La Castro.

61

Figura 25. Esquema del proceso de rasterización. 63

Figura 26. Esquema de superposición de los mapas en formato raster, mediante una suma sencilla de los valores correspondientes a cada celda para la obtención del mapa de zonas homogéneas con respecto al coeficiente de escorrentía.

64

Figura 27. Mapa de Zonas Homogéneas de un sector de la cuenca de la quebrada Santa Elena. El tamaño de celda es de 5 metros de lado.

65

Figura 28. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada La Picacha.

67

Figura 29. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada Altavista.

67

Figura 30. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada Ana Díaz.

67

Figura 31. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada La Hueso.

68

Figura 32. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada Minitas.

68

Figura 33. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada La Quintana.

68

Figura 34. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada Santa Elena.

69

Figura 35. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada La Iguaná.

69

Figura 36. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada Doña María.

69

Figura 37. Simulador de lluvias portátil. Diseño inicial publicado por McQueen en 1963 (tomado de McQueen, 1963, U.S. Geological Survey Circular 482).

73

Figura 38. Simulador de lluvias portátil construido en la Universidad EAFIT (primera versión).

74

Figura 39. Unidad de alimentación y control del simulador de lluvias portátil. 75

Figura 40. Cabeza del simulador de lluvias portátil. 76

Figura 41. Trípode de soporte y pantalla contra el viento del simulador de lluvias portátil.

77

Figura 42. Detalle de la unidad de base cilíndrica del simulador de lluvias portátil.

78

Figura 43. Acople de la unidad base al resto del sistema, con el embudo para evitar pérdidas por desviación de gotas.

79



x

Página

Figura 44. Sistema para medir la escorrentía. 80

Figura 45. Número de ensayos de simulación de lluvias efectuados en cada sitio.

85

Figura 46. Localización de los sitios en los que se efectuaron ensayos con el simulador de lluvias.

85

Figura 47. Cambio del coeficiente de escorrentía con respecto al tiempo durante el ensayo 12.

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Figura 51. Relación entre la Intensidad de la lluvia y el Coeficiente de Escorrentía en el sitio 01.

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Figura 74. Mapa de zonas generadoras de escorrentía para la cuenca de la quebrada La Castro.

106

Figura 75. Curvas I D F para la estación San Cristóbal. 113

Figura 76. Curvas I D F para la estación Villa Hermosa. 113

Figura 77. Curvas I D F para la estación San Antonio de Prado. 114

Figura 78. Curvas I D F para la estación Miguel Aguinaga. 114

Figura 79. Curvas I D F para la estación Aeropuerto Olaya Herrera. 115

Figura 80. Curvas I D F para la estación Vasconia. 115

Figura 81. Ubicación de estaciones con curvas IDF. 117

Figura 82. Localización de secciones transversales en la quebrada Doña María. 118

Figura 83. Localización de secciones transversales en las quebradas Altavista y La Picacha.

119

Figura 84. Localización de secciones transversales en las quebradas Ana Díaz y La Hueso.

119

Figura 85. Localización de secciones transversales en la quebrada La Iguaná. 120

Figura 86. Localización de secciones transversales en las quebradas Minitas y La Quintana.

120

Figura 87. Localización de secciones transversales en las quebradas Santa Elena y La Castro.

121



xii

Página

Figura 88. Polígonos de Thiessen formados por las estaciones con precipitación media anual y su área de influencia en cada una de las cuencas.

125

Figura 89. Hidrograma Unitario para T igual a la duración de la lluvia efectiva. Cuenca de la quebrada La Hueso.

134

Figura 90. Curvas S para la cuenca de la quebrada La Hueso para lluvias de duración igual a la lluvia efectiva (0.132 horas) y tiempo de concentración.

135

Figura 91. Hidrograma unitario (SCS) para la cuenca de la quebrada La Hueso, para una lluvia de duración 1.19 horas (igual al tiempo de concentración).

135

Figura 92. Hidrograma de escorrentía directa para la cuenca de la quebrada La Hueso producido por una lluvia con Tr = 100 años y duración igual al tiempo de concentración.

137

Figura 93. Hidrograma unitario sintético de Williams y Hann (tomada de Smith et al., 1997, figura 6.4, página 98).

138

Figura 94. Relación entre B y n del hidrograma unitario de Williams y Hann (tomada de Smith et al., 1997, figura 6.4, página 100).

139

Figura 95. Hidrograma Unitario Sintético de Williams y Hann para la cuenca de la quebrada La Hueso y de duración igual al tiempo de concentración de la cuenca, el círculo rojo indica el punto de caudal máximo.

141

Figura 96. Comparación de caudales máximos para la quebrada Doña María. 143

Figura 97. Comparación de caudales máximos para la quebrada Altavista. 143

Figura 98. Comparación de caudales máximos para la quebrada La Picacha. 144

Figura 99. Comparación de caudales máximos para la quebrada Ana Díaz. 144

Figura 100. Comparación de caudales máximos para la quebrada La Hueso. 145

Figura 101. Comparación de caudales máximos para la quebrada La Iguaná. 145

Figura 102. Comparación de caudales máximos para la quebrada Minitas. 146

Figura 103. Comparación de caudales máximos para la quebrada La Quintana. 146

Figura 104. Comparación de caudales máximos para la quebrada Santa Elena. 147

Figura 105. Comparación de caudales máximos para la quebrada La Castro. 147

Figura 106. Sección transversal número 01 sobre la quebrada La Hueso, gráfica de MS Excel 97.

153

Figura 107. Fotografía de la sección transversal ST 01 HU con referencias de distancia.

154

Figura 108. Sección transversal tomada del DEM (Cauce corregido a partir de la foto), ST 01 HU.

154

Figura 109. Datos geométricos de la sección transversal ST 01 HU. 155

Figura 110. Datos de caudal para la cuenca de la quebrada La Hueso.

156



xiii

Página

Figura 111. Sección transversal ST 01 HU de la quebrada La Hueso con los niveles alcanzados debido a caudales máximos instantáneos (líneas horizontales de color violeta).

158

Figura 112. Sección longitudinal de la quebrada La Hueso con los niveles normales y los niveles alcanzados debido a caudales máximos instantáneos.

158

Figura 113. Sección longitudinal de la quebrada La Hueso entre las secciones 01 y 04, vista en perspectiva, con los niveles normales y los niveles alcanzados debido a caudales máximos instantáneos.

159

Figura 114. Curva de gasto (caudal vs elevación del nivel de agua) para la sección transversal ST 01 HU de la quebrada La Hueso.

159

Figura 115. Proceso de construcción de las superficies de inundación a partir de los datos de nivel de agua en cada sección transversal determinados en el programa HEC – RAS.

160

Figura 116. Resta de matrices para determinar las zonas de inundación. Las celdas con valores negativos corresponden a zonas secas y las celdas con valores positivos corresponden a zonas que son susceptibles de ser inundadas en los eventos de caudales máximos.

161

Figura 117. Zonas de amenaza por inundación de un tramo de la quebrada La Castro (una cuadra arriba de la calle 52). La matriz resultante del proceso está dibujada con color rojo, la zona de inundación digitalizada se presenta en color amarillo y corresponde a la zona de amenaza por inundación en este sector.

162

Figura 118. Fotocopia del pluviograma de la estación San Cristóbal del viernes 16 al domingo 19 de septiembre de 1988 (datos suministrados por EEPPM).

163

Figura 119. Quebrada La Iguaná en el sector de Los Colores. 164

Figura 120. Barrio La Iguaná, aguas arriba de la carrera 65. 164

Figura 121. Barrio La Iguaná en la margen izquierda de la quebrada del mismo nombre.

165

Figura 122. Sector Plaza de Toros La Macarena, vista hacia el occidente. 166

Figura 123. Puente de la calle 35 con carrera 89 sobre la quebrada Ana Díaz. 166

Figura 124. Garajes en el barrio Laureles que quedaron completamente anegados.

167

Figura 125. Avenida 33 con calle 65, desborde la quebrada La Picacha. 167

Figura 126. Quebrada La Picacha en el cruce con la avenida 33, zona de inundación, en rojo, para una lluvia de 110 mm/hr y duración 1 hora.

169

Figura 127. Zona de inundación en el sector Naranjal – Suramericana, en rojo, asociada a la quebrada La Hueso y para una lluvia de 110 mm/hr y duración 1 hora.

170

Figura 128. Zona de inundación en el sector Estadio, en rojo, asociada a la quebrada La Hueso y para una lluvia de 110 mm/hr y duración 1 hora.

171



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Página

Figura 129. Localización de las estaciones limnimétricas y limnigráficas en el contexto del Valle de Aburrá.

173

Figura 130. Fotografía del limnímetro de la estación Iguaná Ladrillera San Cristóbal. En ésta puede observarse la pequeña caída de agua que se formó hacia la parte inferior de la foto y las rocas y el pequeño empozamiento hacia la parte central y en el borde de la quebrada, evidencias de la inestabilidad de la sección.

174

Figura 131. Estación Hueso Metro Suramericana. Obsérvese cómo se modifica la geometría de la sección al acumular las piedras al lado izquierdo del canal, justo donde se encuentra el limnímetro (adentro del círculo azul).

175

Figura 132. Vista del limnímetro de la estación Hueso Metro Suramericana. Obsérvese la diferencia entre el nivel del agua en el limnímetro y en el centro del canal (parte inferior de la foto), en este caso la lectura del limnímetro no corresponde al nivel real del agua.

175

Figura 133. Sitio adecuado para la reubicación de la estación Hueso Metro Suramericana, en el sitio indicado por la flecha roja, a aproximadamente 20 metros aguas abajo de la confluencia de las quebradas Hueso y Ana Díaz.

176

Figura 134. Estación Doña María Vereda La Verde. Las piedras arrastradas por la quebrada formaron una pequeña caída de agua en el sector donde se ubicó el limnímetro (círculo azul).

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Figura 135. Detalle del limnímetro de la estación Doña María Vereda La Verde. Obsérvese la diferencia en el nivel de agua de la quebrada en la zona inferior de la foto y el señalado en el limnímetro.

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Figura 136. Estación Castro Hogar Antioquia. El limnímetro (ver círculo azul) está ubicado justo debajo del puente peatonal, a pocos centímetros de las piedras que se observan en la foto y que hacen que el flujo de agua sea nulo en ese lado del canal.

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Figura 137. Ubicación de los jalones en una línea perpendicular al cauce, con la cuerda amarrada entre ellos. Estación Iguaná Carrera 74, sitio con limnímetro y limnígrafo.

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Figura 138. Detalle de la cuerda (color amarillo) amarrada entre los jalones con marcas cada 50 cm (negras, ver recuadro azul). A la izquierda puede observarse el sitio donde está ubicado el limnímetro (barra roja).

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Figura 139. Esquema de una sección transversal, dibujada con datos de profundidad cada 50 cm (h1, h2) y los puntos donde se toma el dato de velocidad (v).

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Figura 140. Esquema de medición de la velocidad de la corriente en canales en “V” angostos, x1, x2 y x3 son las distancias a las cuales se mide la profundidad del cauce, h1 y h2.

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Figura 141. Medición de la velocidad de la corriente en el punto medio de los tramos señalados.

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Figura 142. Estación Altavista Almacén EEPPM. 181



xv

Página

Figura 143. Estación Altavista Almacén EEPPM, vista desde el puente peatonal.

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Figura 144. Estación Picacha Conquistadores, vista desde aguas arriba, margen izquierda.

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Figura 145. Estación Picacha Conquistadores, vista desde aguas arriba, margen derecha.

182

Figura 146. Estación Hueso Metro Floresta. 183

Figura 147. Estación Ana Díaz Colegio Jesús María, visto desde la margen derecha.

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Figura 148. Estación Ana Díaz Colegio Jesús María, al fondo se observa el puente peatonal.

184

Figura 149. Estación Quintana Carrera 65, vista desde la margen izquierda. 185

Figura 150. Detalle de la estación Quintana Carrera 65. 185

Figura 151. Estación Iguaná Carrera 74, al fondo se observa el puente de la carrera 74.

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Figura 152. Detalle de la realización del aforo en la estación Iguaná Carrera 74, la medición de la velocidad del agua se hizo cada 50 cm.

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Figura 153. Estación Santa Elena Plaza Minorista. El limnímetro se encuentra en la zona demarcada por el círculo azul.

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Figura 154. Detalle del limnímetro de la estación Santa Elena Plaza Minorista. 188

ESTUDIO HIDROMETEOROLÓGIO Y GEOMORFOLÓGICO DE 10 QUEBRADAS DEL VALLE DE ABURRÁ


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1 Introducción El siguiente documento presenta los resultados obtenidos en el desarrollo del proyecto de investigación denominado “Estudio hidrometeorológico y geomorfológico de 10 quebradas del Valle de Aburrá”, además de exponer los pasos seguidos y las dificultades observadas en el proceso de trabajo. El proyecto de investigación se presenta como trabajo de grado, requerido para optar el título de Maestría en Ciencias de la Tierra, otorgado por la Universidad EAFIT, por parte de los aspirantes al título Juan José Montoya Monsalve y Jorge Eduardo Patiño Quinchía. Inicialmente se describe la metodología utilizada en la presente investigación, que incluye un recuento de la bibliografía existente en las bibliotecas y centros de documentación de la ciudad de estudios que aborden la misma temática del trabajo, una propuesta de instrumentación hidrometeorológica de las quebradas objeto de estudio, un procesamiento de información cartográfica digital, la determinación en campo de coeficientes de escorrentía en zonas cuyo comportamiento hidrológico se supone homogéneo, el modelamiento hidrológico de cada una de las cuencas utilizando herramientas del SIG ArcInfo, el modelamiento hidráulico de los cauces de las quebradas con el programa HEC-RAS, la definición de zonas inundables a partir de modelos de elevación digital de las cuencas y los niveles de agua generados por la modelación hidráulica. Además se levantaron en campo los depósitos aluvio – torrenciales que se encuentran en los cauces de las quebradas y se modeló una lluvia torrencial generalizada ocurrida en el mes de septiembre de 1988 que ocasionó el desbordamiento de las quebradas de la zona occidental de la ciudad. Estos últimos pasos permitieron inferir de manera inicial la validez de la metodología desarrollada en la investigación. Por último se explica el análisis de resultados y se exponen las conclusiones y recomendaciones que se derivan del trabajo. De cada una de las cuencas de estudio se presenta un anexo que contiene los mapas obtenidos tanto en pasos intermedios de la investigación como los resultados finales, esto es, los mapas preliminares de amenazas, detallando a una escala adecuada las zonas que poseen amenaza por inundación, superpuesta con la información de viviendas e infraestructura ubicada en dichas zonas.

Planteamiento del problema: A lo largo del proceso de poblamiento y urbanización de la Ciudad de Medellín, se han presentado dinámicas inadecuadas en cuanto a la construcción de viviendas e infraestructura (redes de servicios públicos, vías, escuelas, etc.) en zonas que poseen diversos grados de vulnerabilidad ante eventos naturales. En los últimos años y debido a problemas sociales ampliamente conocidos, tales como el abandono del campo colombiano por los entes gubernamentales y la violencia, que se reflejan en el fenómeno de desplazamiento del campo a la ciudad, ha ocurrido sobrepoblación de zonas urbanas que presentan serias amenazas naturales, principalmente inundaciones y movimientos en masa. Dicha ocupación del territorio se ha llevado a cabo por falta de otras alternativas, en zonas que corresponden a áreas de inundación de caños y quebradas y en zonas de laderas



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con fuertes pendientes en las partes altas de las vertientes del Valle de Aburrá. Esta ocupación desordenada y sin ningún control ha producido un aumento de la vulnerabilidad de la ciudad ante eventos naturales que pueden calificarse como catastróficos o desastres, ya que su ocurrencia es responsable de la destrucción de los bienes y servicios de la comunidad y en algunos casos hasta de la muerte de personas. El caso de las quebradas del Valle de Aburrá cobra importancia debido al comportamiento torrencial de las mismas, que históricamente se ha reflejado en la ocurrencia de crecientes súbitas. Una creciente súbita se presenta cuando el tiempo transcurrido entre la lluvia y el aumento de nivel en el cauce es mínimo. Este problema ya ha sido tratado anteriormente, sin que hasta ahora se hayan efectuado labores tendientes a dar una respuesta definitiva. Tal es el caso del planteamiento efectuado por HIMAT (1990): “En el caso particular de Medellín, la característica común de todas las quebradas es que una lluvia intensa puede provocar una crecida repentina. Tales crecidas se desarrollan tan rápidamente que constituyen un fenómeno de sorpresa para los ocupantes de la zona de inundación. En el mejor de los casos, el tiempo transcurrido entre la presencia de una lluvia intensa, y el nivel máximo de crecida, puede ser de media hora como máximo.” A partir de la información hidrometeorológica de las estaciones existentes en la actualidad en el Valle de Aburrá y en sus alrededores, es posible determinar dinámicas hidrológicas de cada una de las cuencas, que relacionen el comportamiento de las lluvias con el aumento en los niveles de agua de las quebradas. Los resultados de dichos análisis son “estimativos” del comportamiento real; mientras mayor sea la cantidad y calidad de la información más cerca se estará del comportamiento real; es decir que se alcanzará un nivel de confianza mayor. Dada la problemática descrita anteriormente, se hace necesaria la implementación, a partir del conocimiento de la dinámica hidrológica propia de cada cuenca, de un sistema de alarma basado en la medición de variables ambientales, específicamente precipitación y niveles de agua de quebradas, que permita tomar decisiones rápidas ante eventos de crecidas repentinas. Si además de lo anterior se considera que las lluvias fuertes y por ende las crecientes generadas son en su mayoría en horas de la noche y en la madrugada (HIMAT, 1990), las acciones que se desarrollen deben contar con procesos automatizados, que permitan la toma de decisiones en tiempo real sin la presencia de personal, lo cual es posible en la actualidad aprovechando las herramientas informáticas y de comunicación disponibles. Es competencia del estado la prevención y atención de desastres tanto a escala nacional, como regional y local, tal como lo señala la Ley 46 de 1988 y el Decreto reglamentario 919 de 1989, que crea el Sistema Nacional de Prevención y Atención de Desastres y vincula la prevención a los Planes de Desarrollo de las Entidades Territoriales. Partiendo de lo anterior y mediante el Acuerdo 14 de 1994 se instituyó en el Municipio de Medellín el Sistema Municipal para la Prevención y Atención de Desastres, SIMPAD. El SIMPAD presentó a CORANTIOQUIA, para su financiación a partir de la sobretasa ambiental, un proyecto de instrumentación de las quebradas de la ciudad de Medellín y de educación ambiental en las comunidades directamente afectadas por esta problemática, denominado "Investigación hidrometeorológica en Medellín para evaluar el riesgo por inundación".



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Dentro del proyecto mencionado se han definido diez quebradas del Valle de Aburrá para elaborar un estudio piloto que parta de las características físicas del terreno y de la información hidrometeorológica disponible y permita instrumentar las cuencas de dichas quebradas con el fin de implementar, ajustar y evaluar una metodología adecuada para la puesta en marcha y operación de sistemas de alarma temprana y su posterior ampliación al resto de quebradas del valle. Las quebradas seleccionadas para este estudio, que poseen mayor cantidad de reportes de emergencia ante eventos de inundación (recopilados por el SIMPAD), han sido clasificadas inicialmente según el área de la cuenca (Mi Río, Municipio de Medellín, PNUD, 1995): Santa Elena (y su afluente La Castro), La Iguaná y Doña María como Cuencas Superiores o Tipo A (mayores de 20 Km2); Ana Díaz, La Hueso, La Picacha y Alta Vista como Cuencas Mayores o Tipo B (entre 5 y 20 Km2); y La Minitas y La Quintana como Cuencas Medianas o Tipo C (entre 1 y 5 Km2). Los estudios hidrometeorológicos basados en registros históricos de precipitación, acompañados de estudios geomorfológicos y edafológicos así como los relacionados con la presencia humana – uso del suelo -, permiten estimar el comportamiento de las corrientes cuando ocurren fuertes lluvias. A partir de dichos estimativos, es posible generar mapas de amenazas ante crecidas, que superpuestos con información cartográfica de viviendas e infraestructura señalan las zonas de riesgo ante dichos eventos. Conociendo adecuadamente el comportamiento de las cuencas, es posible cuantificar la intensidad y duración de las lluvias que desencadenan crecientes catastróficas. La instrumentación de las cuencas de las quebradas sirve en primer lugar para obtener información primaria confiable, de buena calidad, que se traduce en la obtención de datos reales de precipitaciones y caudales generados, útiles para conocer científicamente la dinámica de cada cuenca y modelar con un alto grado de confiabilidad el comportamiento hidrológico en cuanto a crecientes súbitas y normales. Por otro lado, dicha instrumentación hace posible implementar un sistema de alarma temprana en cada cuenca, que acompañado de efectivos sistemas de evacuación, posibilita proteger la vida de las personas asentadas en las márgenes de las quebradas ubicadas en el área de estudio y por ende mejora la calidad de vida de dicha población. Con el estudio hidrometeorológico de las diez cuencas seleccionadas se espera suplir el vacío de información existente al respecto en la ciudad y de paso dar los lineamientos necesarios, mediante la propuesta y evaluación de la metodología de elaboración del mismo, para elaborar los mapas de amenazas por inundación preliminares y crear sistemas de alarma en las demás cuencas del Valle de Aburrá que no cuentan con ellos. Es importante anotar que la metodología presentada en este trabajo es el primer paso hacia el estudio detallado del comportamiento hidrológico de las quebradas del estudio, y que no se pretende presentar la metodología propuesta como un método hidrológico con resultados comprobados que deba utilizarse en el área del Valle de Aburrá.

1.1 Objetivos generales

Posteriormente al planteamiento del problema se trazaron los siguientes objetivos generales:



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Realizar estudios hidrometeorológicos, geomorfológicos y edafológicos de las cuencas de 10 quebradas seleccionadas en el Valle de Aburrá que permitan la elaboración de mapas preliminares de amenazas por inundación y avenidas torrenciales.

Implementar una base de datos georreferenciada con la información recolectada y producida en los estudios hidrometeorológicos, mediante la utilización de un Sistema de Información Geográfica, con el fin de permitir la simulación posterior del comportamiento de las cuencas con modelos de precipitación – escorrentía.

1.2 Objetivos específicos

Para la adecuada consecución de los objetivos generales se diseñaron varios objetivos específicos:

Instrumentar con pluviómetros, pluviógrafos, limnímetros y limnígrafos las cuencas de las 10 quebradas objeto del estudio para obtener datos diarios y continuos de precipitación y de niveles de quebradas.

Generar una base de datos que se pueda actualizar constantemente para almacenar los datos producidos con la nueva instrumentación y recuperarlos para su análisis en cualquier momento.

Elaborar un diagnóstico de la respuesta hidrológica en cada cuenca partiendo de los datos históricos e información secundaria e integrando los primeros datos recolectados por las nuevas estaciones, para obtener la probabilidad de ocurrencia de eventos pico.

Reconocer las principales zonas productoras de escorrentía en cada cuenca.

Actualizar los mapas geomorfológicos para las zonas de estudio, con énfasis en los depósitos generados en inundaciones y eventos torrenciales pasados en las áreas rurales.

Establecer en forma preliminar el coeficiente de escorrentía en zonas rurales de acuerdo con los usos del suelo, las pendientes y las formaciones superficiales.

Elaborar mapas preliminares de amenaza por inundaciones en cada cuenca.

Validar la metodología utilizada en el estudio para su posterior aplicación a otras cuencas del Valle de Aburrá.

Asesorar en la implementación de un sistema de alarma basado en la utilización de radios transmisores - receptores para prevenir los efectos negativos de las inundaciones en la comunidad para cada cuenca.

1.3 Descripción de la zona de estudio.

A continuación se detallarán las principales características de la zona de estudio, con base en el Levantamiento Integrado de Cuencas Hidrográficas del Municipio de Medellín (Municipio de Medellín, Instituto Mi Río, PNUD, 1995). Medellín se localiza en el Departamento de Antioquia, República de Colombia. Su

posición geográfica es: 75 34´05" de Longitud Oeste y 6 13´55" de Latitud Norte. Posee una extensión de 376.24 Km2 de los cuales 110.87 Km2 hacen parte del perímetro urbano y 265.37 Km2 corresponden a la zona rural (ver figura 1). El área urbana está definida por



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un estrecho valle encerrado en altas montañas que definen la cuenca del Valle del Río Medellín, valle que comparte con otros nueve municipios.

Figura 1. Localización de la ciudad de Medellín en un contexto regional.



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Figura 2. Localización de las cuencas seleccionadas para el estudio en el Valle de Aburrá. La totalidad de las quebradas consideradas en el presente estudio son afluentes del río Medellín (ver figura 2). El recuento de las quebradas se basa en la clasificación por zonas geográficas realizada por el Instituto Mi Río y el Municipio de Medellín, 1995.

1.3.1 Zona suroccidental.

Comprende las cuencas de las quebradas localizadas en la parte suroccidental de Medellín, en las comunas 11, 12, 13, 15 y 16, limitada por el norte con la cuenca de la quebrada La Iguaná, por el sur y occidente con la cuenca de Doña María y por el oriente con el río Medellín. El área total de la zona corresponde a 70.88 Km2 subdividida en seis cuencas, cuatro de las cuales son objeto de estudio: la Altavista, la Picacha, la Ana Díaz y la Hueso (ver figura 3). En la tabla 1 se reseñan las principales características de las cuencas en mención.



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Tabla 1. Cuencas de la zona suroccidental (Tomada de Mi Río, 1995) Nombre cuenca

Afluentes Área cuenca (Km

2)

Long. Cauce (Km)

Veredas - Barrios

Altavista Buga, El Barcino, La Peña, La Perla, La Guacharaca, La Esperanza, Los Bernal, Bellavista, Buenavista, Cñ. San Bernardo, Las Playas, Las Margaritas, Los Jaramillos, Castilla, Cñ. Castillita, Santa Rita, Cñ. Villa Café.

Rural: 8.98 Urbana: 4.73 Total: 13.71

10.55 Vereda Buga, Vereda Altavista parte alta, La Gloria, Los Alpes, Las Violetas, San Bernardo, Las Playas, Cerro Nutibara, Granada, Vereda La Esperanza, Loma de los Bernal.

La Picacha

Cñ. Las Violetas, La Isla, Cñ. La Granja, Cñ. Maldonado, La Aguadita, La Aguada, Cñ. El Mopal, La Matea


10.88 Vereda Aguas Frías, Vereda San Pablo, Las Violetas, Las Mercedes, La Castellana, Miravalle, Belén, Rosales, El Nogal, Laureles, Bolivariana, Simón Bolívar, San Joaquín, Conquistadores.

Ana Díaz Betanía, Belencito, La Guapante, Los Sapos, Romedala, Zj. La América.


9.28 Vda. El Corazón, Vda. El Morro, Betania, El Corazón, Belencito, La Almería, Sta. Teresita, Sta. Mónica, Cristóbal, Lorena, Los Pinos, Campo Alegre, La América.

La Hueso La Magdalena, Zj. Sta. Mónica, El Salado -La Salada, Cñ. Los Sauces, Cñ. Ladrillera, Cñ. Nuevos- Conquistadores -Cñ. Escondido- Cñ. Paraiso, La Leonarda, Pela hueso -Bolillala, La Quiebra, La Pradera, Los Alcázares, La Mina- Zj. El Coco.


8.18 El Salado, Nvos. Conquistadores, La Independencia, 20 de Julio, El Danubio, Santa Lucía, El Socorro, La Peñita, Antonio Nariñó, San Javier, La Quiebra, La Pradera, El Coco, Juan XXIII, Los Alcázares, La Floresta, Calazans, Ferrini, Florida Nueva, Estadio No.1 y No.2, Cuarta Brigada, Unidad Deportiva Atanasio Girardot, Suramericana, San Javier La Loma, El Velódromo y Naranjal.

Cuenca de la quebrada La Altavista. La cuenca de la quebrada Altavista, limita por el norte con la cuenca de La Picacha, por el sur con la cuenca de La Guayabala, por el occidente con la cuenca de la quebrada Doña María y por el oriente con el río Medellín. Posee en su cabecera dos ramales: quebrada Barcino, que nace en las estribaciones del Alto El Encanto a 2340 msnm, con una longitud de 2.7 Km y quebrada Buga, con nacimiento en el cerro El Barcino en la cota 2270 msnm con una longitud de 2.4 Km; ambas quebradas confluyen en la cota 1720 msnm donde toman el nombre de quebrada Altavista, y luego de 7.2 Km tributa sus aguas al río Medellín en la cota 1475 msnm, al pie del cerro Nutibara. Son peculiares los drenajes largos en su margen derecha, con un patrón de drenaje subparalelo dendrítico controlado por el diaclasamiento con sentido NS y NE. En su margen izquierda, la quebrada Santa Rita es el único drenaje largo.

Cuenca de la quebrada La Picacha (o Aguas Frías). Limita al norte con la cuenca de la quebrada La Hueso, la cuenca de la quebrada La Altavista al sur, la cuenca de la quebrada Doña María al occidente y el río Medellín al Oriente. En la zona rural se denomina quebrada Aguas Frías, cuyo nacimiento se encuentra en la divisoria de aguas de la cuchilla El Barcino en la cota 2424 msnm y desemboca en el río Medellín en la cota 1464 msnm luego de un recorrido de 10.88 Km, siguiendo la dirección de diaclasamiento este - oeste del Batolito de Altavista. Como características se destacan los afluentes de poca longitud con dirección predominante noreste y sureste, el patrón de drenaje subparalelo con poca disección, la presencia de una corriente sinuosa a lo largo de su recorrido, lecho pedregoso y el cauce angosto.



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Figura 3. Esquema de las cuencas de la zona suroccidental en el Valle de Aburrá.

Cuenca de la quebrada Ana Díaz. Limita al norte con la cuenca de la quebrada La Hueso, al sur con la cuenca de la quebrada La Picacha, al occidente con la cuenca de la quebrada Doña María y por el oriente con el río Medellín. Su nacimiento se ubica en el Alto El Astillero en la cota 2485 msnm y luego de un recorrido de 9.275 Km se une a la quebrada La Hueso en la cota 1480 msnm. Se caracteriza por su recorrido sinuoso y por sus afluentes cortos.

Cuenca de la quebrada La Hueso.

Limita al norte con la cuenca de la quebrada La Iguaná, al sur con la cuenca de la quebrada Ana Díaz, al occidente con la cuenca de la quebrada Doña María y al oriente con el río Medellín. Nace en las estribaciones de la cuchilla Los Arrayanes en la cota 2132 msnm y luego de un recorrido de 8.18 Km en dirección oeste - este desemboca en el río Medellín en la cota 1462 msnm. Presenta un patrón de drenaje subdendrítico.



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1.3.2 Zona centro - occidental, cuenca de la quebrada La Iguaná.

Limita al norte con la cuenca de la quebrada Malpaso, al noroccidente con la Cuchilla Las Baldías, divisoria de aguas con la cuenca de la quebrada El Hato, al occidente con la divisoria de aguas de la cordillera El Frisol y la quebrada La Frisola hasta el Cerro del Padre Amaya, al suroccidente con el Alto El Astillero y la Cuchilla Los Arrayanes, por el sur con la cuenca de la quebrada La Hueso y por el oriente con el río Medellín. Nace en la cota 2555 msnm en las estribaciones del Alto de las Repetidoras, después de recorrer en dirección SE un tramo aproximado de 5.6 Km cambia a dirección WE hasta su desembocadura en el río Medellín, en la cota 1457 msnm. Posee una longitud total de 15.29 Km y un área de 51.22 Km2, de los cuales 6.35 Km2 corresponden a la zona urbana y 44.87 Km2 a la zona rural. La figura 4 muestra un esquema de la cuenca de la quebrada La Iguaná.

Figura 4. Esquema de la cuenca de la quebrada La Iguaná.



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1.3.3 Zona centro – oriental.

Cuenca de la quebrada Santa Elena. Limita al norte con las cuencas de las quebradas El Ahorcado, El Molino y parte de Piedras Blancas, por el oriente con la cuchilla La Gulupera, al Sur con el municipio de Envigado y las cuencas de las quebradas La Presidente y La Poblada y al occidente con el río Medellín. El área total de la cuenca es de 45.61 Km2 de los cuales el 74.95% pertenece a zona rural y el 25.05% a zona urbana, el estudio hidrológico de la cuenca se efectuó hasta la entrada del box-coulvert, unos metros arriba del teatro Pablo Tobón Uribe, con un área de captación de 39.46 Km2. Nace en el Cerro Espíritu Santo en la cota 2620 msnm y luego de un recorrido de 14.43 Km desemboca en el río Medellín en la cota 1457 msnm. La longitud del cauce hasta la entrada del box-coulvert es de 12.08 Km a una altura de 1505 msnm. La figura 5 muestra un esquema de la cuenca de la quebrada Santa Elena.

Figura 5. Esquema de las cuencas de las quebradas Santa Elena y La Castro.



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Cuenca de la quebrada La Castro Este afluente de la quebrada Santa Elena presenta una longitud de 4.24 Km. Su cuenca hace parte de la vereda Piedras Blancas y los barrios Las Estancias y Villa Tina, comprendiendo un área de 4.22 Km2, de los cuales 4.06 Km2 pertenecen a zona rural y 0.16 Km2 a zona urbana. Nace en la cota 2500 msnm y desemboca en la cota 1630 msnm.

1.3.4 Zona noroccidental.

Esta zona comprende las cuencas de las quebradas localizadas en la parte noroccidental de Medellín, en las comunas 5,6 y 7 limitada por el norte con la cuenca de la quebrada La Loca del municipio de Bello, por el sur y suroccidente con la cuenca de la quebrada La Iguaná, por el occidente con el Alto de Yolombó y por el oriente con el río Medellín. El área total de la zona corresponde a 19.5 Km2 subdividida en quince cuencas, dos de las cuales son objeto de estudio: La Quintana y Minitas, esquematizadas en la figura 6. En la tabla 2 se reseñan las principales características de las cuencas en mención.

Tabla 2. Cuencas de la zona noroccidental (Tomada de Mi Río, 1995) Nombre cuenca

Afluentes Área cuenca (Km

2)

Long. Cauce (Km)

Veredas - Barrios

La Quintana

La Batea, La Jesusita


4.79 Vereda Yolombo, Barrios Aures, Picachito, El Diamante, Kennedy C. Universal, Cordoba, Alfonso López, Caribe

Minitas San Francisco


4.19 Vereda El Picacho, Barrios Picachito, 12 de Octubre No.2, S. Martín de Porres, La Esperanza, Pedregal, Castilla.

Figura 6. Esquema de las cuencas Minitas y La Quintana, de la zona noroccidental del Valle de Aburrá.



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Cuenca de la quebrada La Quintana. Limita al sur y occidente con las cuencas de las quebradas Malpaso y El Malpaso, la cuenca de la quebrada La Cantera al norte y el río Medellín por el oriente. Nace en la cota 2207 msnm y desemboca en la cota 1445 msnm. La cuenca se caracteriza por poseer un patrón de drenaje subparalelo con tendencia noreste y su forma rectangular – oblonga.

Cuenca de la quebrada Minitas.

Se encuentra enmarcada entre las cuencas de las quebradas La María al sur y la Velásquez al norte. Su nacimiento se encuentra en la cota 2146 msnm y desemboca en el río Medellín en la cota 1446 msnm.

1.3.5 Cuenca de la quebrada Doña María, corregimiento de San Antonio de Prado.

Limita por el norte con la cuenca de la quebrada San Francisco, por el oriente con las cuencas de las quebradas La Hueso, La Picacha, Altavista, Jabalcona, por el sur con la cuenca de la quebrada Grande y por el occidente con las cuencas de las quebradas la Frisola y La Sucia. Hacia el sur del Cerro del Padre Amaya nacen dos afluentes de la quebrada Doña María: quebrada La Frisola en la cota 2905 msnm y la quebrada Los Vallados en la cota 2590 msnm y a partir de la confluencia de estas en la cota 2240 msnm, toma el nombre de quebrada Doña María. Desemboca en el río Medellín en la cota 1522 msnm luego de un recorrido de 22.1 Km. El área total de la cuenca es de 72.6 Km2, con un total de 48 microcuencas en la margen derecha y 43 microcuencas en la margen izquierda. La figura 7 muestra el mapa de la cuenca de la quebrada Doña María.



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Figura 7. Esquema de la cuenca Doña María, en el Corregimiento de San Antonio de Prado.



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2 Metodología En el presente capítulo se reseñan las actividades efectuadas en la investigación, señalando los resultados obtenidos y las dificultades encontradas en cada etapa. La descripción de los pasos metodológicos es breve y se profundiza en los capítulos posteriores del informe. Este capítulo está concebido como una visión general del trabajo, útil para entender en un contexto general cada una de las etapas desarrolladas en la investigación.

2.1 Revisión de información secundaria.

La primera actividad llevada a cabo fue la correspondiente a la búsqueda, revisión y análisis de información secundaria, esto es, bibliografía (tesis y trabajos), cartografía básica y temática, fotografía aéreas y datos hidrometeorológicos. Se revisaron varias tesis y trabajos que abordaban la misma temática del trabajo, sirvieron inicialmente para reconocer las características propias de cada cuenca y posteriormente para comparar los resultados obtenidos en la investigación actual. De cada trabajo se reseñaron sus planteamientos y enfoques. De las fuentes de información cartográfica se encontró que la más adecuada para un análisis cartográfico digital es la que se desarrolló en 1998 y que se conoce como los proyectos SIGAME (Sistema de Información Geográfica para Medellín) y SIGMA (Sistema de Información Geográfica para Medellín y sus Alrededores), de las cuales se tuvo acceso al proyecto SIGAME que incluye todas las cuencas exceptuando una parte de la cuenca de la quebrada Doña María; ante la negativa de las Empresas Públicas de Medellín (propietaria de la cartografía del proyecto SIGMA) al acceso a dicha información, se decidió analizar esta cuenca a partir de la cartografía que estaba disponible en Planeación Municipal. La cartografía del proyecto SIGAME se encuentra en categorías o niveles de información que incluyen la hidrografía, la topografía (representada por curvas de nivel, cada dos metros en la zona urbana y cada cinco metros en la zona rural), información catastral (viviendas y construcciones), vías y vegetación. Al momento de comenzar el análisis cartográfico dicha información no había sido sometida a revisión, encontrándose numerosos errores de edición, los cuales se corrigieron para su posterior análisis. A partir de esta información se obtuvieron los Modelos de Elevación Digital de cada una de las cuencas, producto fundamental para los análisis posteriores. En cuanto a la cartografía temática se requerían mapas de usos del suelo actuales y de formaciones superficiales. Esta cartografía fue suministrada por la oficina de Planeación Municipal y se corroboró en visitas posteriores de campo y por medio de fotografía aéreas, encontrándose que el mapa de usos del suelo no correspondía con los usos del suelo actual, por lo cual fue necesario elaborar un nuevo mapa. El mapa de formaciones superficiales aborda características geomorfológicas (depósitos, suelos residuales), geológicas (identifica de cada unidad el material parental) y edafológicas que fueron revisadas en visitas de campo y en la etapa de fotointerpretación.



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Se revisaron e interpretaron las fotografías aéreas del área del Valle de Aburrá, tomadas en 1998, en escalas aproximadas 1:10.000 para el área urbana y 1:20.000 para el área rural y se revisó la imagen de satélite de agosto de 1996 del Valle de Aburrá disponible en el Laboratorio de Imágenes de la universidad EAFIT. Las fotos aéreas se utilizaron inicialmente para revisar las unidades geomorfológicas y formaciones superficiales y familiarizarse con cada una de las cuencas y posteriormente para definir los usos del suelo de las cuencas. Luego de identificar las estaciones hidrometeorológicas existentes en la zona se solicitaron los datos correspondientes a dichas estaciones. No se pudo acceder a datos pluviográficos ni limnigráficos imposibilitando cualquier intento por validar la metodología propuesta en la investigación. Se utilizaron las curvas de Intensidad – Duración – Frecuencia de varias estaciones ubicadas en la zona de estudio para definir las lluvias que producen caudales máximos. Con pluviogramas del mes de septiembre de 1988 se modeló una lluvia que causó el desbordamiento de las quebradas de la zona occidental de la ciudad.

2.2 Reconocimiento preliminar de las cuencas.

Luego de la revisión de información secundaria que incluía el reconocimiento de las cuencas por medio de fotografía aéreas se procedió a realizar recorridos de campo con el objeto de familiarizarse con cada una de las cuencas y proponer los mejores sitios para la ubicación de instrumentos de medición de variables hidrometeorológicas.

2.3 Instrumentación hidrometeorológica.

El paso siguiente consistió en ubicar equipos de medición de lluvias y niveles de quebradas en las cuencas de estudio. Los criterios que se tuvieron en cuenta para la ubicación de las estaciones pluviográficas fueron que se encontraran en escuelas y colegios y que tuvieran una distribución espacial adecuada para que se registraran la variación de las lluvias debido a la influencia orográfica y a la distribución de vientos en cada una de las cuencas de estudio. Las estaciones limnigráficas y limnimétricas se ubicaron en las partes bajas de los cauces de las quebradas, en sitios que tuvieran facilidad de acceso y vigilancia y en secciones que fueran lo más estable posible, lo que se pretendía era que la comunidad por medio de Juntas de Acción Comunal se hicieran cargo de la recopilación de datos. En total se ubicaron e instalaron 30 pluviógrafos digitales, 60 pluviómetros, 15 limnímetros y 3 limnígrafos digitales. Se presentaron numerosas dificultades en cuanto al manejo de los equipos de medición, especialmente en el registro y almacenamiento de datos, tanto que al finalizar la investigación no se pudo contar con datos confiables en ninguna de las estaciones y se decidió finalmente cancelar el funcionamiento de los equipos. Estas dificultades se tradujeron en la imposibilidad de validar la metodología propuesta en la presente investigación, que se desarrolló exclusivamente a partir de registros históricos de lluvias.

2.4 Modelo y análisis cartográfico.

El siguiente paso consistió en diseñar la metodología con que se iba a abordar los análisis en cada una de las cuencas. Ubicadas las fuentes de información y teniendo en cuenta la



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buena calidad de la información cartográfica digital y la cantidad de cuencas objeto de estudio, se decidió utilizar herramientas computacionales que permitieran utilizar los mismos procedimientos para cada una de las cuencas. Es así como se recurrió a los Sistemas de Información Geográfica como medio para el manejo y análisis de datos y la presentación de resultados. Una forma común de presentación de procesos de manejo y análisis de información cartográfica digital es por medio de modelos cartográficos, los cuales muestran a manera de diagramas de flujo los diversos pasos llevados a cabo y permiten visualizar la transformación de archivos desde los insumos iniciales hasta los productos finales. En la investigación actual se diseñó un modelo cartográfico que no solo presenta procesos computacionales, además se especifican etapas de campo desarrolladas durante el trabajo, esquematizando la manera como se integran los datos obtenidos en campo con los procesos de computo. En la figura 8 se presenta el modelo cartográfico seguido en la investigación. El modelo cartográfico se divide en cuatro etapas: generación de zonas homogéneas incluyendo el análisis morfométrico de las cuencas, determinación en campo de coeficientes de escorrentía, análisis hidrológico y análisis hidráulico con la definición preliminar de zonas de amenazas por inundación.

2.4.1 Generación de zonas homogéneas.

Se trata de la delimitación cartográfica de zonas que se suponen con un comportamiento similar en cuanto a la relación precipitación – escorrentía, esto es a zonas con coeficiente de escorrentía homogéneo. Dichas zonas surgen de superponer los mapas de pendientes (slc_cuenca), formaciones superficiales (fsc_cuenca) y usos del suelo (usc_cuenca); teniendo en cuenta que son la pendiente, la cobertura vegetal y los primeros niveles del suelo los parámetros que intervienen en la interrelación agua – suelo.

2.4.2 Determinación en campo de coeficientes de escorrentía.

Esta etapa de campo tuvo como objeto final determinar la relación entre la intensidad de la lluvia y el coeficiente de escorrentía para zonas que se supusieron con comportamiento hidrológico similar. Para lograr esto se construyó y utilizó un simulador de lluvias portátil siguiendo el diseño propuesto por McQueen (USGS, 1963). Durante el período de campaña se hizo simulación de lluvias en 23 sitios diferentes, de 4 a 11 ensayos por sitio, para un total de 159 ensayos. A partir de un análisis estadístico de los resultados obtenidos en los ensayos de campo se determinó el coeficiente de escorrentía para cada parcela con la aplicación de lluvias máximas definidas por análisis de Intensidad – Duración – Frecuencia realizados en estaciones pluviográficas ubicadas en la zona de estudio. Finalmente el comportamiento del coeficiente de escorrentía encontrado en las parcelas circulares se supone igual para áreas cuadradas de 25 m2, correspondiente al tamaño de celda de los mapas con estructura raster para cada cuenca, que queda espacializado en el mapa de zonas con coeficiente de escorrentía homogéneo para cada cuenca (zhCe_cuenca).



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planchas top

geoproce

top_cuenca

rast,inter slope

sl_cuenca

Funciones

Flujo 1

(*)

red de drenaje divisorias de agua

fm superf

geoproce

uso suelo

fm_cuenca

us_cuenca

geoproce

rast, reclas

rast, reclas

fsc_cuenca

usc_cuenca

superpo

s zh_cuenca

Simulación

de lluvias

CAMPO

zhCe_cuenca

pg_cuenca

Rast,inter (*)

lluvia real

llr_cuenca

Modelamiento (*)

Programa HEC-RAS

Zonas de amenaza

Comportamiento hidrológico

Q = C*I*A

Funciones

Flujo 2


Vector

Raster

rast: rasterización

reclas: reclasificación

geoproce: geoprocesamiento

superpos: superposición de

mapas

inter: interpolación

slope: cálculo de

pendientes

análisis

estadístico

de pendientes slc_cuenca

1

2

3

etapa

4

dem_cuenc

a

Figura 8. Modelo cartográfico del estudio.



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2.4.3 Análisis hidrológico.

Conocida la relación entre una lluvia y la escorrentía que se genera para cada celda que compone una zona homogénea en particular y teniendo para cada cuenca el modelo de elevación digital, se aplicaron funciones de flujo propias del SIG ArcInfo para determinar primero la dirección de flujo para cada celda del modelo y luego la acumulación de flujo en cada celda. Si se supone una lluvia con intensidad constante durante un tiempo igual al tiempo de concentración de la cuenca, la matriz de acumulación de flujo representa para cada celda el caudal generado por dicha lluvia. En la investigación actual se tuvieron en cuenta las lluvias extremas de acuerdo con curvas de Intensidad – Duración – Frecuencia de estaciones con registros históricos en la zona de estudio, definiendo una estación foco para cada cuenca y suponiendo que la lluvia presentaba una distribución espacial homogénea. El cálculo del caudal en cada punto de la cuenca surgido a partir de una lluvia en particular se determina con la aplicación de dos funciones propias de ArcInfo llamadas flowdirection y flowaccumulation ejecutadas en el modelo digital de elevación de la cuenca (dem_cuenca). La función flowdirection permite definir la dirección de flujo para cada celda del modelo digital de elevación, mientras que la función flowaccumulation calcula el caudal acumulado en cada celda de la cuenca determinado por la suma de las celdas que fluyen hacia esta. Si se especifica un archivo raster a la función flowaccumulation, correspondiente al peso de la lluvia (wllr_cuenca), el cual surge de la multiplicación del área de cada celda (25 m2) por del mapa raster de intensidad de lluvia espacializada (llr_cuenca) y el mapa raster de las zonas con coeficiente de escorrentía homogéneo, el cual posee para cada celda el coeficiente de escorrentía (zhCe_cuenca), se obtiene el caudal de salida de cada celda según el método racional que de este modo se espacializa. La fórmula del método racional es:

Q = C * I * A Donde Q: Caudal en el punto de captación C: Coeficiente de Escorrentía I: Intensidad de lluvia A: Área de captación El método utilizado se denominó “método racional distribuido”, esto es, a cada celda se le aplica el método racional y se suman los aportes de caudal de cada celda para encontrar el caudal en cada celda de la matriz. Obtenidos los caudales máximos instantáneos generados por una lluvia se procedió a compararlos con caudales arrojados por otros métodos ampliamente utilizados en nuestro medio. Además se compararon los valores obtenidos en la investigación con los resultados publicados en trabajos anteriores. Ya que se supone una lluvia con distribución espacial y temporal homogénea, y que se determinaron los caudales en cada celda utilizando un modelo lineal sencillo, el modelo hidrológico utilizado es apenas una aproximación hacia la determinación de caudales máximos y en ningún caso debe verse



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como un método hidrológico validado con información hidrometeorológica y que pueda aplicarse con alto grado de confianza en la zona de estudio.

2.4.4 Análisis hidráulico

El análisis hidráulico se efectuó con la utilización del programa de modelamiento hidráulico HEC-RAS (Hidrologic Engineering Center - River Analysis System), versión 3.0.1 de marzo de 2001 desarrollado por el U. S. Army Corps of Engineers. El programa se basa en la solución de la ecuación de energía unidimensional. Las pérdidas de energía se evalúan a partir de la fricción (determinada por la ecuación de Manning) y la contracción/expansión (coeficiente multiplicado por el cambio de la cabeza hidráulica entre secciones). Los datos de entrada son los datos geométricos de las secciones y los datos de caudal para cada sección transversal (que fueron tomados de la matriz de acumulación producida en el análisis hidráulico). Se modelaron perfiles de agua de flujo permanente gradualmente variado. Las secciones transversales a los cauces de las quebradas se tomaron a partir de los modelos de elevación digital con la utilización del SIG ArcInfo. En la mayor parte de las secciones no se detallaba la forma exacta del cauce, por lo cual fue necesario corregir la forma del cauce a partir de medidas efectuadas en campo y de fotos tomadas perpendiculares a las secciones y con referencias de distancia que posibilitaban la corrección de la forma. Además de la corrección de la forma del canal, las fotos tomadas en cada una de las secciones fueron útiles para la determinación de los números de Manning que caracterizan la rugosidad de las llanuras de inundación y el canal en las secciones. Estos valores se definieron a partir de tablas que relacionan las características de la sección con coeficientes de rugosidad. Otros datos que el programa requiere son las distancias entre secciones tanto por el canal como por las bancas y las abscisas que definen el canal para cada sección transversal. Las condiciones de frontera, necesarias para que el programa ejecute el modelamiento hidráulico, fueron las correspondientes a un flujo con profundidad normal en las secciones transversales extremas (sección más baja y sección más alta del tramo de la quebrada modelado). Los parámetros de entrada para dichas condiciones son las pendientes medidas a lo largo del cauce en un tramo de 50 metros a ambos lados de las secciones transversales extremas.

2.5 Construcción de mapas de amenazas.

Del modelamiento hidráulico se obtienen los niveles de agua producidos por un caudal máximo derivado de una lluvia crítica para cada sección transversal. Para definir zonas de amenazas es necesario construir una superficie de inundación partiendo de perfiles con un nivel de agua particular y de un modelo de elevación digital. Se interpolan los niveles de agua de los perfiles, obteniendo una superficie que representa el nivel del agua que produce una lluvia. A dicha superficie se le resta el modelo de elevación digital, obteniendo una nueva superficie en la cual los valores positivos representan zonas de inundación y los valores negativos zonas hasta donde no llega el agua generada por una



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creciente. Por último se comparan las zonas de inundación con las observaciones efectuadas en campo para ajustar las zonas de amenazas y al superponer la cobertura de vías y viviendas se determinan zonas de riesgo.

2.6 Validación del modelo.

Como no se disponen de datos medidos de lluvias y caudal no fue posible efectuar una validación sistemática del modelo. Con el modelamiento de una lluvia extrema que ocasionó desbordamientos en las quebradas de la zona occidental del Valle de Aburrá en septiembre de 1988 y de la cual se cuenta con un registro fotográfico tomado de la prensa local, fue posible una validación inicial del modelo seguido en la presente investigación.

2.7 Conclusiones y recomendaciones.

Por último se presenta el análisis de resultados y se exponen las conclusiones y recomendaciones que se derivan del trabajo.



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3 Revisión de información secundaria La primera actividad adelantada consistió en la búsqueda, revisión y análisis de información secundaria compuesta por bibliografía hallada en las bibliotecas de universidades de la ciudad y centros de documentación de diversas instituciones, cartografía básica y temática encontrada en la oficina de planeación municipal y en los proyectos SIGAME y SIGMA, fotografía aéreas de planeación municipal y datos hidrometeorológicos que poseen el IDEAM y las Empresas Públicas de Medellín.

3.1 Revisión de material bibliográfico (Tesis y trabajos).

3.1.1 Biblioteca Central de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín (Efe Gómez).

El interés principal fueron los estudios de suelos efectuados en la zona de estudio. El único libro que contiene cartografía de suelos es el denominado Suelos del Departamento de Antioquia (1977), trabajo realizado por el IGAC y la Secretaría de Agricultura de Antioquía. Contiene un levantamiento agrológico del departamento de Antioquia basado en fotografías aéreas con escala promedio entre 1:30000 a 1:60000 y fotomosaicos de imágenes de radar con escalas entre 1:100000 a 1:250000. Se agruparon los suelos por pisos térmicos, unidades fisiográficas y geomorfológicas, clima, material parental y relieve para llegar finalmente a las unidades cartográficas, que en este caso son asociaciones de suelos. En dicho estudio se agruparon los perfiles descritos en cada unidad cartográfica y se efectuó una clasificación taxonómica hasta el nivel de subgrupo de acuerdo con el Sistema Americano “Soil Taxonomy” de 1973 y 1976. Luego de la revisión de campo de las unidades cartográficas y de los suelos de cada unidad, descripción de perfiles y recolección de muestras, se preparó el informe y los mapas finales que se presentan en escala 1:100000. De los perfiles descritos en este estudio sólo dos están dentro del área de las cuencas de las quebradas del presente proyecto, uno dentro de la cuenca de la quebrada Doña María, en la vía de San Antonio de Prado a Heliconia, a 1.8 Km del primero; y otro en la cuenca de la quebrada La Iguaná, en el sitio Boquerón. Los perfiles pertenecen a dos conjuntos diferentes (Abejorrál y Boquerón, respectivamente), dentro de la misma asociación (Tequendamita). En la investigación actual los tipos de suelos se determinaron de acuerdo con el mapa de formaciones superficiales desarrollado por planeación municipal en escala 1:10000.



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3.1.2 Centro de Documentación del Postgrado en Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos, Facultad de Minas.

Duque, Juan & Nigrinis, Oscar, 1992. Estudio hidrológico e hidráulico de la quebrada Doña María. Tesis de Grado, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, Facultad de Minas. T/DC 1589

Se reseñan las características más importantes de la cuenca: geomorfología, hidrología, usos del suelo. Se utiliza el programa HEC-2 (Hydrologic Engineering Center). Se identifican zonas de riesgo a partir de secciones transversales y caudales aforados. Se consideraron los resultados obtenidos en dicho estudio, específicamente los valores de caudales máximos instantáneos, para compararlos con los que se derivaron siguiendo la modelación hidrológica aplicada en la presente investigación para la cuenca de la quebrada Doña María.

Salazar, Jose & Betancur Jaime, 1991. Estudio hidrológico e hidráulico de las quebradas La Hueso, La Ana Díaz, La Picacha. Tesis de grado. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, Facultad de Minas.

Se presentan caudales máximos calculados para diferentes períodos de retorno basados en los registros de las estaciones de San Antonio de Prado, San Cristóbal y Olaya Herrera. Se desarrollan el Hidrograma Unitario de Williams y Hann y el Hidrograma Unitario Geomorfoclimático para cada cuenca. Contiene mapas geológicos, algunas secciones transversales, mapa de pendientes y usos del suelo. Se compararon los caudales máximos obtenidos en dicho trabajo con los arrojados en la actual investigación.

3.1.3 Biblioteca de la Facultad de Minas.

Botero, Norman & Osorio Marta, 1990. Zonificación geotécnica de la cuenca de la quebrada Ana Díaz. Tesis de grado. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, Facultad de Minas. T551.4/B67

Se presenta un análisis de geología, geomorfología y de hidrología. A partir de los datos de la estación de San Antonio de Prado se efectúa un análisis de lluvias efectivas por el método propuesto por el US Soil Conservation Service, hallando la infiltración inicial del suelo y la capacidad de almacenamiento. Se construye la hidrógrafa unitaria sintética para la cuenca. Contiene mapa geomorfológico, mapa de Unidades Geomecánicas Independientes (método propuesto por Alejandro Chica), mapa de pendientes y mapa de zonificación geotécnica. Se tomaron los resultados de caudales máximos instantáneos para diferentes períodos de retorno obtenidos en el trabajo y se compararon con los arrojados en la actual investigación.



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Castrillón, T.E. & Londoño G.N., 1993. Determinación de Amenaza Geológica en la cuenca de la quebrada La Picacha o Aguas Frías. Tesis de grado. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, Facultad de Minas. T 0341/1993

Contiene un análisis hidrológico con cálculos de precipitación media y curvas de Intensidad – Duración – Frecuencia en cuatro estaciones, además presenta datos de caudales, calidad de aguas, eventos torrenciales, geología, geomorfología y usos del suelo de la cuenca. Se efectúa un análisis morfométrico con datos como área, forma (coeficiente de forma, coeficiente de compacidad, índice de alargamiento, índice asimétrico), y morfometría de la red de drenaje (número de orden, razón de bifurcación, relación de longitud de los cauces, longitud de la corriente principal, gradiente de la corriente, densidad de drenaje, pendiente). En un anexo se presenta un inventario de desastres en la cuenca.

Angel, Jorge & Duque Teresa, 1990. Zonificación de riesgo para la cuenca de la Quebrada Iguaná. Tesis de grado. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, Facultad de Minas. T551.3/A54

El trabajo contiene una descripción de la geología, las formaciones superficiales y las estructuras presentes en la cuenca. Se efectúa un recuento histórico de eventos catastróficos. Partiendo de un análisis de cartografía se determinan los siguientes parámetros morfométricos de la cuenca: Área, forma (factor de forma, coeficiente de compacidad, alargamiento, homogeneidad, asimetría), elevaciones, pendientes, y la morfometría de la red de drenaje. Se analiza la morfodinámica de la cuenca: erosión hídrica superficial, remoción en masa, dinámica fluvial. Por último se presenta un análisis hidrológico con datos de las estaciones Boquerón, San Cristóbal y Aeropuerto Olaya Herrera. Se retoman los resultados de caudales máximos instantáneos calculados comparándolos con los obtenidos en la investigación actual.

Toro, Gloria & Velázquez, Andrés, 1984. Estudio Geomorfológico y Estructural del Valle de Aburrá. Tesis de grado. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, Facultad de Minas. T551.4/T67

Determina diversas unidades geomorfológicas del valle y documenta gran cantidad de datos estructurales, principalmente de diaclasas. Presenta cartografía geomorfológica y estructural a escala 1:25000 y columnas estratigráficas de las formaciones superficiales presentes en el área. Plantea el origen de las geoformas presentes. La cartografía geomorfológica es una base para efectuar el análisis geomorfológico de la zona de estudio en una escala más detallada (1:10000). La descripción de geoformas a partir de fotografías aéreas fue útil en la fotointerpretación del estudio actual.



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Rendón, Diego, 1999. Cartografía y caracterización de las unidades geológicas de la zona urbana de Medellín. Tesis de grado. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, Facultad de Minas. 290p.

En este trabajo se determinan las unidades geológicas y geomorfológicas de la zona urbana de Medellín en escala 1:10000. Se proponen hipótesis acerca de la génesis tanto de las geoformas como del valle de Aburrá. Contiene una revisión detallada de formaciones superficiales, geología y estructuras a partir de gran número de perforaciones, la cual se revisó al iniciar la investigación actual.

Smith, R.; Vélez, M. V.; Acosta, Z. L.; Blandón, J. R.; Posada, J.E.; Botero, A.L.; Campo, J.M.; Montoya, R.D.; Múnera, J.C., Muñoz, S.I.; & Ruiz, C.D., 1997. Hidrología de Antioquia. Ed. Imprenta Departamental de Antioquia. 176 p, anexos.

Presenta una serie de procedimientos y metodologías hidrológicas orientadas a definir los caudales máximos instantáneos en las cuencas de Antioquia. Dichos procedimientos se han utilizado en la investigación actual.

3.1.4 Centro de Documentación del Instituto Mi Río.

Se encuentran los Planes de Ordenamiento de diversas quebradas de la zona de estudio.

Alvarado, Bernabé, 1994. Plan De Ordenamiento Territorial Rural De La Cuenca De La Quebrada Doña María. Tesis de Maestría en Ingeniería Ambiental, Universidad de Antioquia. B 0951/T1

De los temas que fueron útiles en el trabajo actual, se encuentran los capítulos de geomorfología y de hidrología. En este último se realiza un estudio de niveles de inundación y caudales de diseño de estructuras por el método de regionalización. Además presenta resultados de caudales de un estudio desarrollado por ACP Ltda, utilizando hidrogramas unitarios sintéticos. Estos resultados se compararon con los obtenidos en la actual investigación.

Plan De Ordenamiento De La Parte Alta Y Media De La Quebrada La Iguaná. 1995 B /0385

Presenta el clima, la hidrología, la geología incluyendo las formaciones superficiales y la geomorfología y una zonificación de amenazas por movimientos en masa. Dicho trabajo se concentra en aspectos socio – económicos de la zona y en la formulación de proyectos destinados para el ordenamiento de las partes alta y media de la cuenca de la quebrada La Iguaná. Aunque presenta caudales extremos para diferentes períodos de retorno, estos no se tendrán en cuenta pues no se explica la forma como se encontraron.

Plan De Ordenamiento De La Microcuenca De La Quebrada La Hueso. 1997. B / 1039 / V.1

Contiene un análisis hidrológico en donde se efectúa una recolección, ordenación y análisis de toda la información hidrometeorológica para calcular caudales de diseño con



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períodos de retorno de 25.5 años. Además se presenta la geología y un análisis geotécnico en donde se reseña litología, formaciones superficiales, geomorfología y características geotécnicas de las formaciones superficiales. Se efectuó un levantamiento altiplanimétrico a lo largo de 500 metros del cauce a la altura del barrio San Javier que sirvió para definir secciones transversales de la quebrada. Al no estar debidamente georeferenciadas no fue posible utilizar dicha información en la investigación actual. Los resultados de caudales máximos instantáneos para diversos períodos de retorno presentados en el trabajo se comparan con los obtenidos en la investigación actual.

Plan De Ordenamiento Y Manejo Integral De La Microcuenca De La Quebrada Ana Díaz. 1998. B / 1268

Contiene los parámetros hidrológicos e hidrográficos de la cuenca. Se encuentra una reseña de la geología, la geomorfología y la dinámica de cauces. El estudio profundiza en la parte biológica y química de las aguas, mientras que los aspectos físicos e hidráulicos se reseñan de una manera descriptiva y general.

Plan De Ordenamiento Y Manejo Integral De La Microcuenca De La Quebrada Santa Elena. B / 1269

Posee capítulos de geología, geomorfología, fisiografía, hidrografía y clima. A partir de un diagnóstico hidráulico presenta un análisis de puntos críticos de manera descriptiva. No tiene análisis de datos hidrometeorológicos. Presenta figuras con Parámetros Hidrológicos, Mapa Geológico y de Formaciones Superficiales.

3.1.5 Biblioteca Central, Universidad De Antioquia.

Los estudios encontrados están centrados en análisis de calidad de aguas de algunas de las quebradas de las cuencas en cuestión.

Higuita, Nora, 1989. Caracterización de posibles contaminantes de la Quebrada Doña María, Itagüí (Antioquia). Tesis de grado (Química). 628.16 H 638 al.

Reconoce, analiza y cuantifica las principales contaminantes (desagües domésticos, desechos industriales, bombas de gasolina, etc.) Se ubicaron siete estaciones de muestreo en donde se efectuaron los análisis de la calidad química del agua.

Correa et al, 1988. Descripción de la calidad de aguas de la quebrada Santa Elena y el estado de salud de la población de Villatina – San Antonio que la utiliza como fuente de abastecimiento. Tesis de grado (Tecnología en Saneamiento Ambiental). WA 675 / D4 – 88



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3.1.6 Biblioteca de las Empresas Públicas de Medellín.

Metodología para el cálculo de caudales máximos en quebradas del Valle de Aburrá. 1983. I – 525

Se presenta la aplicación del Método de William y Hann para el cálculo de caudales máximos en corrientes superficiales. Se señala que de los métodos analizados este parece ser el que más se adapta a las condiciones locales. Se aplica a las quebradas La Velásquez y La María.

Evaluación de puntos críticos, retiros de quebradas y análisis de la dinámica hidrológica del municipio de Medellín (Zona noroccidental). 1993. 627.1286126 / M 488 eva

Posee anotaciones geomorfológicas de las quebradas La Minitas y La Quintana en donde se describe la dinámica fluvial, esto partiendo de una interpretación de fotografías aéreas. Se efectúa una evaluación de puntos críticos. Se revisaron en campo los puntos críticos de las quebradas reseñados en el trabajo.

INTEGRAL, 1956. Estudio hidrológico e hidrográfico de la hoya del río Medellín. F 0643

Se adoptó una frecuencia de 100 años para determinar el caudal máximo teniendo en cuenta obras hidráulicas de regulación y canalización. Dicho análisis se efectuó a partir de datos pluviográficos de las estaciones de EPM en Caldas, San Cristóbal, San Antonio de Prado, Planta de Filtros, Chorrillos, Mazo y Las Palmas (registros desde 1948). Se construyó una hidrógrafa unitaria sintética para la cuenca del río Medellín, puesto que no se tenían datos de limnígrafos.

Evaluación de puntos críticos, retiros a quebradas del municipio de Medellín. Zona centro oriental, Cuenca de la quebrada Santa Elena. 1995 627.1286126 / M 488

Este estudio efectuado por el Departamento Administrativo de Planeación Metropolitana y la Sección de Información Geográfica contiene la descripción de puntos críticos en la cuenca de la quebrada Sana Elena, los cuales fueron revisados en el actual trabajo.

Estudio Hidrológico del Valle de Aburrá. 1969 551.48 / A 247 e

Este trabajo desarrollado por el departamento administrativo de valorización municipal posee un análisis de tendencias hidrológicas de la región con los siguientes resultados: cálculos de relaciones de Intensidad – Duración – Frecuencia, cálculos de relación área – precipitación media, distribución de la lluvia en el tiempo, hidrógrafas unitarias sintéticas, relación precipitación media – escorrentía.



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Ortiz Jaime & Instituto Mi Río, 1996. Proyecto de conservación y revegetación en áreas protectoras de aguas y suelos en la parte media y alta de la microcuenca de la quebrada La Iguaná. 333.91715 / I 59 p

Se realiza un reconocimiento de zonas de protección ambiental y/o área forestal protectora de la cuchilla de Las Baldias, además del reconocimiento de los nacimientos y cauces principales de las quebradas que conforman la microcuenca de la quebrada La Iguaná.

Aguilar, Parra & Sañudo, Jairo, 1997. Plan de ajustes para el ordenamiento ambiental de la cuenca de la quebrada La Iguaná (desde su nacimiento hasta el sitio de captación por EEPPMM). Tesis de especialización en Ingeniería Ambiental, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín. 333.91715 / A 283

Este trabajo se encuentra enfocado en el aprovechamiento hidráulico, presentando histogramas de frecuencia de áreas entre curvas de nivel, caudales mínimos vs períodos de retorno y curvas hipsométricas.

3.1.7 Biblioteca de la Universidad EAFIT (Luis Echavarría Villegas).

Aquí se encuentra extensa literatura acerca de materias tales como Hidrología, Geomorfología Fluvial, Sistemas de Información Geográfica, los cuales no se reseñarán. De la zona de estudio se encuentra la siguiente bibliografía.

Empresas Públicas de Medellín, 1991. Anuario Hidrometeorológico. Volumen 1. 178 p. R / 551.48 / E 55

Este libro contiene información climática e hidrológica de las estaciones de las Empresas Públicas de Medellín ubicadas en el Valle de Aburrá y sus alrededores. Se ha utilizado para el análisis de información secundaria para encontrar caudales máximos instantáneos en algunas de las quebradas de la zona de estudio.

Municipio de Medellín, Instituto Mi Río, PNUD, 1995. Levantamiento Integrado de Cuencas Hidrográficas del Municipio de Medellín. 328 p. 551.48 / I 59 L

Contiene información básica de cada una de las quebradas de estudio tales como área, perímetro, longitud del cauce, pendientes, etc. Además se reseñan las características geológicas, geomorfológicas, de suelos y sus usos, entre otras. Este trabajo fue útil en la etapa inicial de la actual investigación para reconocer las cuencas de estudio.

3.2 Revisión e interpretación de imágenes de satélite y fotografías aéreas.

Se revisaron e interpretaron las fotografías aéreas del área del Valle de Aburrá, tomadas en 1998, en escalas aproximadas 1:10.000 para el área urbana y 1:20.000 para el área



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rural que se encuentran en la planoteca del Municipio de Medellín y se revisó la imagen de satélite de agosto de 1996 del Valle de Aburrá disponible en el Laboratorio de Imágenes de la universidad EAFIT. En la tabla 3 se relacionan los vuelos y las fotografías aéreas utilizadas que se encuentran en la planoteca del Municipio de Medellín. Tabla 3. Relación de fotografías aéreas utilizadas en la interpretación.

Vuelo Faja Escala Aproximada Fotos FAL 398 05 – 2 1:10.930 149 – 153

FAL 398 06 – 2 1:10.045 086 – 090

FAL 398 07 – 2 1:10.070 095 – 104

FAL 398 08 – 2 1:9.960 138 – 144

FAL 400 09 –1 1:10.530 192 – 194

FAL 401 16 1:20.425 073 – 081

FAL 401 03 – 3 1:11.300 148 – 150

FAL 401 14 - 2 1:20.950 048 – 050

FAL 401 15 - 2 1:10.300 040 – 043

FAL 403 12 1:21.700 111 – 118

FAL 403 11 1:20.350 126 – 132

FAL 403 17 - 2 1:21.950 052 – 061

FAL 404 17 - 2 1:21.400 080 – 082

El resultado de la interpretación de las fotografías aéreas fue la identificación preliminar de unidades geomorfológicas y formaciones superficiales en las cuencas, ya cartografiadas por otros autores como Toro y Velásquez (1984), Salinas (1988) y Rendón (1999), la ubicación de las zonas bajas donde predominan las geoformas producto de procesos depositacionales y de las zonas altas con pendientes fuertes en donde predominan geoformas producto de procesos erosivos y que pueden ser las generadoras de escorrentía, así como el conocimiento general de cada de una de las cuencas y de los usos del suelo en ellas, diferenciados en: pastos, bosques, cultivos, zonas urbanas y zonas degradadas o con suelo desnudo. Dicha interpretación se efectuó con la utilización de bibliografía de trabajos anteriores en donde se desarrolló una fotointerpretación geomorfológica. Otro aporte arrojado por la fotointerpretación fue la ubicación de zonas degradadas, especialmente aquellas expuestas a la extracción de materiales de construcción y ladrilleras, y a procesos erosivos observables en las fotos tales como cárcavas y grandes deslizamientos, las cuales serán integradas en el mapa de usos del suelo de cada cuenca. Se revisó la imagen de satélite SPOT pancromática del 26 de agosto de 1994, disponible en el laboratorio de imágenes de la Universidad EAFIT, de la cual se puede extraer información de estructuras geológicas, geomorfología y usos del suelo en el área de la ciudad de Medellín y sus alrededores. Para el presente estudio fue importante la información de usos del suelo y de geomorfología, ya que se relacionan con el fenómeno precipitación/escorrentía, importante en la comprensión de las inundaciones y para la identificación de las áreas generadoras de escorrentía en las cuencas objeto del estudio. Puesto que se dispone de los mapas de formaciones superficiales y de usos del suelo rural, elaborados para el Plan de Ordenamiento Territorial de la ciudad de Medellín, y actualizados a 1999, en formato



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digital, se decidió trabajar con esta última información en lugar de trabajar con la imagen de satélite antes mencionada. Con respecto a los usos del suelo, luego de acceder al mapa suministrado por Planeación Municipal y encontrar que la información cartográfica no se pudo procesar, se averiguó la procedencia de dicho mapa y se encontró que éste se había levantado en el año de 1987 con una verificación en campo tendiente a la ubicación de zonas de protección para el Plan de Ordenamiento Territorial, en 1999. Posteriormente se procedió a una verificación de los usos del suelo, comparando las unidades presentes en el mapa en cuestión con las fotografías aéreas de 1998 pertenecientes a Planeación Municipal, en dos zonas escogidas al azar, una en el área de Santa Elena y otra en el área de San Cristóbal, y no se encontró una correspondencia adecuada. Teniendo en cuenta que el mapa de usos del suelo es de suma importancia como insumo en el modelo que se pretende implementar en este estudio, y que si éste modelo parte de información errónea va a producir resultados erróneos, se decidió generar un mapa de usos del suelo con la fuente de información más actualizada que se tiene y que posee la escala más cercana a la escogida para este estudio: las fotografías aéreas que se encuentran en Planeación Municipal, tomadas en 1998, con escalas aproximadas de 1:10000 en la zona urbana y de 1:20000 en la zona rural. La cartografía digital suministrada por el proyecto SIGAME contiene una cobertura denominada vegetación que básicamente presenta los usos del suelo en las categorías que se requieren para el estudio. De una revisión de dichas categorías se observó que algunos polígonos no cierran y que otros no especificaban con claridad a que categoría de uso pertenecen. Para solucionar este vacío de información, se imprimieron mapas de las cuencas en escala 1: 20000, con las coberturas de catastro, hidrografía, vías y vegetación y la información interpretada de las fotografías aéreas rurales se llevó a dichos mapas para determinar el uso del suelo en las categorías señaladas. Las coberturas de vías e hidrografía, sirvieron para ubicar bien las zonas y encontrar la correspondencia precisa entre los mapas y las fotografías aéreas, de manera que la información fuera lo más precisa posible y pudiera producirse rápidamente. Una vez delimitadas las zonas en los nuevos mapas, se procedió a su digitalización para su posterior procesamiento.

3.3 Revisión de cartografía básica y temática.

Para con la utilización de Sistemas de Información Geográfica es necesario partir de información cartográfica digital de buena calidad. La información cartográfica en formato digital conforma la base de la investigación actual, por lo tanto, se ha hecho un trabajo de revisión exhaustivo de la cartografía, tanto básica como temática, solicitada a las diversas dependencias del Municipio de Medellín. La información cartográfica base se solicitó al proyecto SIGAME (Sistema de Información Geográfica para Medellín), el cual es dirigido por la División Catastro de la Secretaría de Hacienda del Municipio de Medellín. Esta información incluye hidrografía, topografía, catastro, vías, vegetación y puntos de control, en escalas 1: 2000 para el área urbana y 1: 5000 para el área rural, en formato dgn, propio del programa MicroStation95.



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De estas categorías se utilizó la topografía, representada por curvas de nivel y la hidrografía en la elaboración de los Modelos de Elevación Digital para cada cuenca de estudio, además la hidrografía ha permitido comparar las redes de drenaje generadas a partir del Modelo de Elevación Digital con la entregada por el SIGAME producida a partir de una fotointerpretación digital. Las categorías de catastro y vegetación fueron utilizadas para determinar los usos del suelo y fueron importantes cuando se definió la zonificación de amenazas por inundación y se identificaron las obras, viviendas y vegetación que se encuentran en dichas zonas. La totalidad de las planchas las entregó el SIGAME el 17 de julio de 2000, como se especifica a continuación. Planchas urbanas: Dicha cartografía se encuentra en escala 1:2000 con curvas de nivel cada dos metros, cubriendo la totalidad de la zona urbana correspondiente al municipio de Medellín en las cuencas del estudio. La lista de planchas es (75 planchas): 145, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 160, 161, 162, 163, 164, 165, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 178, 179, 180, 181, 182, 187, 188, 189, 190, 191, 192, 193, 194, 196, 197, 198, 199, 200, 201, 202, 203, 205, 206, 207, 208, 209, 210, 211, 212, 214, 215, 216, 217, 218, 219, 220, 221, 223, 224, 225, 226, 227, 228, 229, 230, 231, 232, 233, 234, 237B, 238, 239, 240, 247, 248, 249. Planchas rurales: La cartografía rural se encuentra en escala 1:5000 con curvas de nivel cada cinco metros. Se cubrió la totalidad de la zona rural de las cuencas del estudio. La lista de planchas rurales es (20 en total): 146IIC2W, 146ID2Z, 146IIC1Z, 146IIC1X, 146IIC1W, 146ID2X, 146IB4Z, 146IIA3Y, 146IIA3Z, 146IB4X, 146IIA3W, 146IIA3X, 146IB2Z, 146IIA1Y, 147IIIB2Y, 147IIIB2W, 147ID4Y, 147ID3X, 147ID3Z, 147IIIB1W. Las planchas correspondientes a la parte baja de la cuenca de la quebrada Doña María que hace parte del municipio de Itagüí son propiedad del proyecto SIGMA (Sistema de Información Geográfica para Medellín y sus Alrededores) manejado por las Empresas Públicas de Medellín. Ante la negativa de las Empresas Públicas de Medellín al acceso a dicha información, se decidió analizar esta cuenca a partir de la cartografía que estaba disponible en Planeación Municipal en escala 1:10000 con curvas de nivel cada 10 metros.

Revisión de la información.

Cartografía base: la primera labor efectuada fue la revisión de cada uno de los archivos correspondiente a cada categoría mencionada anteriormente de cada plancha (570 archivos en total), de la cartografía del proyecto SIGAME. Esta revisión fue necesaria puesto que la cartografía entregada no había pasado por la interventoría final. Se identificaron errores de edición y de relación de atributos, estos últimos solo se manifestaban en los Sistemas de Información Geográfica utilizados en el proyecto



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(ArcView y ArcInfo). De dicha revisión se produjo un documento que se entregó al proyecto SIGAME. Con el programa MicroStation95 se corrigieron los errores de atributos y se importaron al formato de transferencia dxf que puede ser trabajado con los programas ArcView y ArcInfo. Los archivos que contienen la topografía y la hidrografía en formato dxf se importaron a coberturas, utilizando el sistema ArcInfo. Luego se unieron las planchas de cobertura de topografía e hidrografía tanto rural como urbana por cuencas, se construyeron polígonos para cada cuenca que cubrieran una zona algo mayor que la divisoria de aguas y se cortaron las planchas anteriormente pegadas teniendo como límite los polígonos generados en la fase anterior, para cada cuenca. En el SIG ArcInfo se procedió a corregir errores de edición de las coberturas de topografía generadas en el paso anterior. Los pasos que requirieron más tiempo fueron los de revisión y corrección de errores de edición. Cabe resaltar que en el contrato del proyecto se estipula que la entrega de la información cartográfica era responsabilidad del SIMPAD, la cual debía estar en condiciones adecuadas. Cartografía temática: posteriormente se revisó la información correspondiente a Formaciones Superficiales y Usos del Suelo. La cartografía de Formaciones Superficiales es de buena calidad, la cual fue verificada con visitas de campo en la cuenca de la quebrada La Iguaná y con ayuda de la fotointerpretación inicial. Se encontraron pequeños problemas en algunos polígonos cuyos límites no concordaban y otros que tenían una etiqueta que no correspondía o que posiblemente se perdió en la transferencia de la información desde el formato e00 a cobertura. Dichos errores se corrigieron manualmente en el sistema ArcInfo. Con respecto a la cartografía de Usos del Suelo, aunque se encontró que fue publicada en el POT de Medellín como si estuviera actualizada a 1999, la correspondencia con las fotografías aéreas de 1998 es muy pobre, y por lo tanto se determinó que su calidad no es buena. Anteriormente se mencionaron las dificultades encontradas y las decisiones que se tomaron al respecto (ver numeral 3.2, Revisión e interpretación de imágenes de satélite y fotografías aéreas).

3.4 Revisión de datos hidrometeorológicos.

Se identificaron las estaciones hidrometeorológicas existentes en la zona de estudio y se procedió a solicitar datos que pudieran ser útiles para los análisis posteriores a las entidades encargadas de la adquisición y mantenimiento de la información, esto es, el IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales) y las Empresas Públicas de Medellín. Los datos que se requerían eran registros pluviográficos y limnigráficos de estaciones ubicadas en las cuencas que permitieran relacionar lluvias con caudales. La primera dificultad encontrada fue la carencia de datos de caudales en la totalidad de las quebradas, imposibilitando cualquier intento por validar modelos de lluvia – escorrentía. Además los datos suministrados por el IDEAM, pertenecientes a estaciones meteorológicas, no permitieron análisis de lluvias pues se trataba de datos diarios de precipitación. La tabla 4 relaciona las estaciones pertenecientes al IDEAM que contienen datos diarios de precipitación.



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Tabla 4. Estaciones del IDEAM con datos diarios de precipitación.

Estación Latitud (N)

Longitud (W)

Elevación (msnm)

Tipo Fecha Instalación

Fecha Suspensión

El Chuscal 612 7542 2100 PM 1970 – Ago ------------------- Santa Helena 613 7530 2550 PM 1970 – Ago -------------------

La Iguaná 620 7539 2300 PG 1990 – Oct ------------------- Boquerón 621 7541 2510 PM 1970 – Ago 1990 - Nov Astilleros 616 7538 2450 PG 1990 – Oct ------------------- El Vivero 617 7530 2400 CP 1982 – Julio -------------------

Tulio Ospina 619 7533 1438 CP 1650 – Sep ------------------- Olaya Herrera 613 7535 1490 SP 1940 – Sep -------------------

La información hidrometeorológica que resultó de mayor utilidad fueron las curvas de Intensidad – Duración – Frecuencia de varias estaciones ubicadas en la zona de estudio pertenecientes a las Empresas Públicas de Medellín: Miguel de Aguinaga, Villa Hermosa, San Cristóbal, San Antonio de Prado y Aeropuerto Olaya Herrera. A partir de dichas curvas se determinaron las intensidades de las lluvias que se modelaron en el análisis hidrológico para diversos períodos de retorno. Además se accedió a los pluviogramas del mes de septiembre de 1988 para analizar la lluvia que causó el desbordamiento de las quebradas de la zona occidental de la ciudad y así realizar una validación inicial de la metodología adoptada en esta investigación.



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4 INSTRUMENTACIÓN Luego de la revisión de información secundaria que incluía el reconocimiento de las cuencas por medio de fotografía aéreas se procedió a realizar recorridos de campo con el objeto de familiarizarse con cada una de las cuencas y proponer los mejores sitios para la ubicación de instrumentos de medición de variables hidrometeorológicas. En el mes de mayo de 2000 se seleccionaron los sitios para la ubicación de las estaciones tal como se especifica en la tabla 5. Tabla 5. Localización preliminar de estaciones en las cuencas de estudio.

Cuenca Sitio Instrumentos

Santa Elena y La Castro

Escuela Integrada El Plan PG y PM

Liceo Santa Elena PG y PM

Escuela 500 m antes del restaurante El Pingüino, vía a Santa Elena PG y PM

Normal de la Anunciación (o en la escuela vecina o en el Batallón No. 4 de la Policía Militar).

PG y PM

Escuela Gabriel García Márquez (Barrio Villa Liliam, qda. La Castro) PG y PM

Escuela rural vereda El Placer PM

Escuela rural vereda Piedra Gorda PM

Escuela o Liceo Divino Salvador (Morro Salvador) PM

Colegio María Auxiliadora PM

Liceo del barrio Juan Pablo II PM

Escuela Niño Jesús de Praga, al lado del tanque de reserva entre los barrios Enciso y Los Mangos

PM

Entrada al Box Culvert, av La Playa LG Y LM

Plaza Minorista LM

Minitas y Quintana

Escuela Dinamarca (Barrio La Candelaria) PG y PM

Escuela rural Santa Angela PG y PM

Escuela San Martín de Porres (Barrio San Martín de Porres) PG y PM

Escuela de Fe y Alegría ( Barrio Villa Claret) PM

Escuela Luis López de Mesa PM

Escuela Pedro Claver Aguirre PM

La Iguaná

Acueducto multiveredal Boquerón PG y PM

Hogar Claret PG y PM

Escuela de la vereda La Cuchilla PG y PM

Escuela de la vereda La Palma PG y PM

Escuela de la vereda San José de la Montaña PG y PM

Universidad Nacional de Colombia PG y PM

Escuela de la vereda Boquerón PM

Escuela de la vereda La Playa PM

Escuela de la vereda El Llano PM

Escuela del barrio Blanquizal PM y LM

Puente de la vereda La Playa (Brisas de la Iguaná) LM

Puente Nuevo sobre la quebrada San Francisco LM



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Cuenca Sitio Instrumentos

La Hueso

Escuela Eduardo Santos PG y PM

Liceo San Vicente Ferrer PG y PM

Teresiano Santa Lucia PG y PM

Escuela Juan XXIII PM

Colegio Calazans Masculino PM

Escuela (Liceo) Cristóbal Colón PM

Ana Díaz

Colegio Jesús María PG y PM

Escuela Cerro Corazón PG y PM

Tanque de la América EPM PG y PM

Escuela Corazón PM

Colegio Salazar y Herrera PM

Escuela Barrio Betania PM

La Picacha

Sector El Llano PG y PM

Escuela Marina Orth PG y PM

Saleciano Pedro Justo Berrío PG y PM

Escuela del barrio San Pablo PM

Escuela Santa Clara de Asís PM

Universidad Pontificia Bolivariana PM

Altavista

Escuela Rural Presbítero Carlos Mesa PG y PM

Escuela Rural Altavista PG y PM

Centro de Educación Productiva PM

Instituto Yermo y Parres PM

Cerro Nutibara PM

Doña María

Tecnológico de Antioquia PG y PM

Desembocadura Q. Doña María LG Y LM

Escuela rural Vereda La Verde PG, PM y LM

Escuela rural El Astillero PG y PM

Escuela de la vereda Yarumalito PG y PM

Escuela Integrada Quebrada Larga PG y PM

Escuela de la vereda El Salado PM

Escuela de la vereda La Montañita PM

Liceo Departamental (S. A. De Prado) PM

Escuela de la vereda San José (La Estrella) PM

Escuela de San Gabriel PM

En el mes de octubre de 2000 se decidió reubicar algunas estaciones y suspender otras, debido a problemas presentados por parte del fabricante de los pluviógrafos y pluviómetros en la entrega de los equipos y a problemas de funcionamiento de los mismos. Hasta este mes se habían entregado 25 pluviógrafos al SIMPAD, de los cuales se destinaron 20 para mantener en funcionamiento y 5 para tener de repuesto, de manera que cuando la persona encargada de la toma de datos encontrara un equipo con problemas de funcionamiento, procediera de inmediato a reemplazarlo por uno bueno mientras se reparaba el otro. De esta forma se pretende tener más control sobre las estaciones pluviométricas y que no se pierdan datos durante el tiempo necesario para la reparación de los equipos dañados.



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En la tabla 6 se reseña la distribución de las estaciones pluviográficas, limnimétricas y limnigráficas en el Valle de Aburrá instaladas por el SIMPAD, las cuales se presentan en la figura 9. Tabla 6. Localización de las estaciones hidrológicas y meteorológicas instaladas por el SIMPAD en el Valle de Aburrá. PG: pluviógrafo, LM: limnímetro, LG: linmígrafo.

Estudio hidrometeorológico y geomorfológico de diez quebradas del Valle de Aburrá

Ubicación de estaciones Noviembre 01 de 2000

Cuenca No. Estación Tipo Localización

PG LM LG X Y

Santa Elena

16 Liceo Santa Elena x 843430 1178366

27 U. NAL. Tec. Forestal * x 839419 1183578

17 Escuela Normal La Anunciación x 837185 1181093

1 Plaza minorista x 834499 1184018

2 Box-culvert Santa Elena x 836173 1182775

La Castro 18 Unidad Básica Hogar Antioquia x 838225 1181380

3 La Castro x 838412 1181253

Minitas 19 Escuela San Martín de Porres x 833855 1188206

4 Minitas x 834762 1187413

Quintana

20 Escuela República de Dinamarca x 834463 1186726

28 El Diamante * x 832836 1187361

5 La Quintana x 834536 1186529

La Iguaná

13 Unal - Agronomia- x 834000 1184352

26 Esc. San José de la Montaña x 827152 1189091

14 Hogares Claret x 830285 1188036

15 Esc. Fabio Zuluaga (Vereda La Palma) x 825778 1185675

6 San Germán x 832832 1184853

7 Brisas de la Iguaná x 826713 1186483

La Hueso

21 Escuela Eduardo Santos x 828249 1184069

22 Colegio Teresiano Nuestra Señora de la Candelaria

x 830740 1184018

8 Metro Suramericana x 833407 1183450

9 Metro La Floresta x 831769 1184054

Ana Díaz 23 Colegio Jesús María x 832089 1183684

10 Colegio Jesús María x 832057 1183700

La Picacha

24 Instituto Salesiano Pedro Justo Berrio x 830208 1181727

29 UPB x 832560 1182120

11 Conquistadores x 833452 1182417

Altavista 25 Escuela Rural Altavista x 828416 1180191

12 Almacenes EPM x 833189 1181083

Doña María

Tecnológico de Antioquia x

30 Escuela El Astillero x 824080 1181986

31 Escuela Yarumalito x 821059 1181249

Desembocadura x

Coltejer x

Vereda La Verde x 826981 1176118



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Figura 9. Distribución de las estaciones pluviográficas, limnimétricas y limnigráficas instaladas por el SIMPAD. Posteriormente a la instalación definitiva de las estaciones se inició el proceso de recolección sistemática de datos. Este proceso presentó numerosos problemas debido a que los equipos de almacenamiento de datos se encontraban en la mayor parte de los casos con la fuente de energía agotada, además cuando era posible recuperar datos al momento de pasarlos al computador se observaban datos anómalos, sin razón aparente. Dicho datos, tal parece que se deben a que el equipo de transferencia entre el aparato de registro (pluviógrafos) y el computador, no posee una protección adecuada ante campos electromagnéticos. Ante la presencia de tantos problemas y debido a que hasta el momento de la terminación de la investigación, los datos disponibles no son confiables, se decidió suspender de manera definitiva la recolección sistemática de datos y el cambio en los equipos de medición. Como consecuencia de lo anterior, no fue posible efectuar ningún tipo de validación del modelo desarrollado en el trabajo, además de la imposibilidad de implementar un sistema de alarmas, puesto que no se conocen los umbrales de lluvia (intensidad y duración) que produzcan inundaciones.



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5 Análisis Cartográfico En este capítulo se explica detalladamente el procesamiento de la información cartográfica digital y los productos que se obtuvieron a partir del mismo. El análisis cartográfico consta de 3 etapas diferentes: procesamiento de información base para análisis morfométrico de las cuencas, superposición de mapas para la obtención de zonas homogéneas y análisis espacial para la selección de las zonas más importantes en cada cuenca para su posterior caracterización.

5.1 Procesamiento de información base. En el procesamiento de información base se generaron modelos de elevación digital, y a partir de éstos la divisoria de aguas para cada cuenca, la red de drenaje, números de orden y mapas de pendientes. Con los modelos de elevación y los mapas obtenidos se determinaron los parámetros morfométricos y se construyeron las curvas hipsométricas de las mismas.

5.1.1 Modelos de elevación digital. Con la cartografía base del proyecto SIGAME, topografía e hidrografía en escalas 1: 2000 para la zona urbana y 1: 5000 para la zona rural, se elaboraron modelos de elevación digitales para las cuencas de las quebradas Santa Elena, La Castro, Minitas, La Quintana, La Iguaná, La Hueso, Ana Díaz, La Picacha y Altavista. Para la cuenca de la quebrada Doña María la cartografía del proyecto SIGAME no cubre la parte baja por ser jurisdicción del municipio de Itagüí. Esta parte está cubierta por la cartografía del proyecto SIGMA de Empresas Públicas de Medellín, pero no fue posible tener acceso a ella por la negativa de EEPPM a la solicitud del SIMPAD de utilizarla. Por lo tanto se decidió trabajar con cartografía base disponible en Planeación Municipal para esta cuenca, con topografía e hidrografía en escala 1: 10000, menos detallada y menos actualizada que la de los proyectos SIGAME y SIGMA. Un modelo de elevación digital es un archivo en estructura raster en el que cada celda georeferenciada contiene la información de su cota o elevación, representando una superficie digital continua que corresponde a la superficie topográfica del terreno. Los MEDs son la base para el análisis hidrológico que se efectuó en la presente investigación, pues a partir de éstos se generó la red de drenaje, la divisoria de aguas de la cuenca y mediante un procesamiento de la información, las curvas hipsométricas de las cuencas y los mapas de pendientes de las mismas y números de orden de las corrientes según los métodos de Shreve y de Strahler. Además es posible extraer del MDE secciones o perfiles de líneas rectas o irregulares, tales como las quebradas o las vías de transporte o secciones transversales a las mismas. Otra aplicación importante de los MEDs es la generación de matrices de dirección y acumulación de flujo que permiten definir caudales instantáneos de todos los puntos de las cuencas a partir de una lluvia espacializada y de un mapa de zonas homogéneas en cuanto a la relación precipitación – escorrentía. El proceso para la obtención de los MDE en el sistema ArcInfo fue el siguiente:



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1. En primer lugar se exportaron los archivos recibidos del proyecto SIGAME (top.dgn) que contenía las curvas de nivel en un formato que fuera posible leer en ArcInfo, esto es el formato de transferencia dxf (top.dxf).

2. Luego de convertir dichos archivos en coberturas de ArcInfo se procedió a la

corrección de errores de edición (por ejemplo curvas o secciones de curvas con datos de altura diferentes al dato real y corrientes que tenían dirección contraria a la real en la red de drenaje). Posteriormente se juntaron las coberturas con el comando append de ArcInfo, teniendo en cuenta las planchas que comprendían cada cuenca. La cobertura de topografía generada se denominó ctop_cuenca y la de hidrografía crds_cuenca, en las que el sufijo _cuenca indica a qué cuenca del estudio pertenece la información.

3. Por otro lado se construyeron polígonos por cuenca cuyos límites estuvieran por fuera

de la divisoria de aguas de cada cuenca, para esto se tuvo en cuenta la red de drenaje de la cartografía suministrada por el proyecto SIGAME. Dicha cobertura se nombró cdiv_cuenca.

4. Posteriormente se generaron los modelos de elevación digital por cuenca con la

función topogrid del sistema ArcInfo definiendo el tamaño de celda de 5 metros de largo, es decir, con un área de 25 m2. Los parámetros de entrada para los MED fueron la cobertura con las curvas de nivel por cuenca, especificando el campo en el cual se encontraba el dato de elevación de cada curva y el límite del mismo el cual se definió por el polígono construido en el paso anterior. Esta matriz generada se denomina gdem_cuenca.

Es importante anotar varias consideraciones acerca de la función topogrid, por ejemplo el método de interpolación utilizado, los posibles errores producidos en el modelo de elevación digital generado, etc.

Comando TOPOGRID del sistema ArcInfo. El comando topogrid del sistema ArcInfo es un método de interpolación diseñado específicamente para generar un modelo de elevación digital hidrológicamente correcto a partir de coberturas con datos de elevación bien seleccionados ya sea puntos o curvas de nivel y de una cobertura que presente la red de drenaje. Dicho comando se basa en el programa ANUDEM desarrollado por Michael Hutchinson (1988, 1989). Como se mencionó con anterioridad, los datos de entrada para la función topogrid utilizados en la actual investigación, fueron la cobertura con curvas de nivel (ctop_cuenca), la cobertura con la hidrografía (crds_cuenca) y la cobertura con el límite aproximado de la cuenca (cdiv_cuenca). De una revisión de la red de drenaje obtenida a partir de los MED y de la presente en la cartografía del proyecto SIGAME se observan diferencias que en algunos casos pueden llegar a ser críticas, de más de 10 metros. Dichas diferencias se deben a la presencia de estructuras en las quebradas, tales como box – coulverts, canalizaciones y puentes, que cambian la superficie del terreno cerca al canal y por lo tanto la dirección del flujo superficial y al tamaño de celda utilizado en la generación de los MDEs. Ya que el sistema ajusta la superficie del terreno a una cuadrícula con celdas de 5 m de lado, es posible que un canal de drenaje natural esté ubicado precisamente en el límite entre dos celdas; al



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asignarle la dirección de flujo al MDE, el sistema escoge las celdas con el valor de elevación más bajo y el canal que genera en la red de drenaje es dibujado exactamente por el medio de dichas celdas, por lo tanto, sería dibujado a 2.5 m del canal real. Proceso de interpolación utilizado en la función topogrid. El proceso de interpolación ha sido diseñado para aprovechar al máximo el tipo de datos de entrada que comúnmente se tienen, esto es, puntos con datos de elevación y curvas de nivel con datos de elevación y la red de drenaje. Este método utiliza una técnica de interpolación iterativa de diferencias finitas el cual presenta la eficiencia computacional propia de métodos de interpolación local tales como el del inverso de la distancia ponderada sin perder la continuidad de la superficie, obtenida a partir de métodos de interpolación global tales como el método de Krigging y el spline. El método utilizado es esencialmente una discretización de la técnica de interpolación denominada spline, y construye un modelo de elevación digital que se ajusta a cambios abruptos en el terreno tales como corrientes y escarpes. El agua representa la fuerza erosiva primaria en la determinación de la forma de la mayoría de los paisajes. Por tal motivo, los paisajes presentan tanto picos altos (máximos locales), representados por el tope de una colina o por una cuchilla, como depresiones (mínimos locales), lo que resulta en un modelo de drenaje conectado. El proceso de interpolación utilizado en la función topogrid se basa en este conocimiento para construir una estructura de drenajes conectada y una representación correcta de las corrientes y los cambios abruptos de altura generados por la fuerza erosiva de las aguas. Esto se logra cuando se especifica la cobertura que contiene la red de drenaje asociada a una topografía específica. Siguiendo este proceso el modelo de elevación digital generado no requiere un procesamiento posterior tendiente a rellenar las depresiones. 5. Luego de este paso se obtuvieron MED para las cuencas los cuales presentaban

depresiones (sinks) debido a pequeños errores en la información básica (curvas de nivel), a depresiones naturales del terreno y a errores propios del método de interpolación. Es necesario llenar estos huecos o depresiones para poder aplicar las funciones de flujo y así generar la red de drenaje y la divisoria de aguas de cada cuenca, así como para aplicar el modelo hidrológico propuesto en la actual investigación.

6. Para hallar las depresiones del MED el paso inicial es aplicarle la función flowdirection

que define la dirección de flujo para cada celda del MDE por comparación del valor de la altura de dicha celda con sus ocho vecinas, asignando dicha dirección hacia la celda que presenta una diferencia de altura mayor. Si una celda no posee una vecina con un valor menor de altura, entonces se trata de una depresión y el flujo entonces se concentrará en ella. Para los análisis hidrológicos es necesario que todas las celdas fluyan hacia un mismo punto en una cuenca en particular: la desembocadura o punto de cota más baja en toda la cuenca, es decir, el MED solo puede tener una depresión que coincida con dicho punto.

7. Finalmente, luego de identificar las depresiones, tanto su ubicación como su altura, se

rellenan con la función fill. El producto así obtenido se denominó demfill_cuenca.



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A los modelos de elevación digital generados en este punto se les aplica funciones para construir la red de drenaje y la divisoria de aguas. El siguiente diagrama de flujo esquematiza el proceso de generación de un modelo de elevación digital sin depresiones y a partir de éste construir la divisoria de aguas de la cuenca y la red de drenaje.

Figura 10. Diagrama de flujo. Generación de modelos de elevación digital, divisorias de agua y redes de drenaje.



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En la figura 11 se presenta el MED de la cuenca de la quebrada La Castro. Los modelos digitales de elevación para las otras cuencas del estudio se presentan en los respectivos anexos de las mismas al final del informe.

Figura 11. Modelo de elevación digital para la cuenca de la quebrada La Castro.

5.1.2 Generación de divisorias de aguas a partir de los modelos de elevación digital. La divisoria de aguas de la cuenca se produce con la aplicación de la función watershed del sistema ArcInfo cuyos parámetros de entrada son la matriz generada a partir de la aplicación de la función flowdirection en el modelo de elevación digital (gfd_cuenca) y el punto al cual se le desea hallar el área de captación (pour point). La matriz producida por la función watershed se denominó gwshed_cuenca.



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Comando FLOWDIRECTION del sistema ArcInfo. El primer paso consiste en la aplicación de la función flowdirection al modelo de elevación digital de cada cuenca. Dicha función define la dirección de flujo de una gota de agua en cada celda comparando el valor de la elevación de dicha celda con las elevaciones de las ocho celdas vecinas y le asigna un valor a la celda de acuerdo con la mayor diferencia de alturas de la siguiente forma:

Figura 12. Dirección de flujo: el valor representado es el valor que toma la celda del centro de acuerdo con la diferencia de alturas de las celdas vecinas. Por ejemplo si la dirección del flujo de la celda en cuestión es hacia la esquina superior izquierda, entonces en la matriz resultante dicha celda tendrá un valor de 32. La dirección de flujo se determina hallando la dirección de la mayor pendiente de cada celda vecina, la cual se calcula con la siguiente relación:

Pendiente = cambio en el valor de la elevación / distancia * 100

Para hallar la distancia entre las celdas se multiplica la longitud de cada celda por 1 entre celdas ortogonales y por 1.414 entre celdas diagonales. Si todas las celdas vecinas presentan una elevación mayor que la celda analizada, esta se considera una depresión (dirección de flujo indefinida) y debe ser llenada con el valor más bajo de sus vecinas asignándole una dirección de flujo siguiendo esta celda. Si dos celdas fluyen una hacia la otra, se consideran como una depresión y se les asigna una dirección de flujo indefinida. Un ejemplo que representa la aplicación de la función flowdirection en una matriz de elevación o MED es el siguiente:

Figura 13. Aplicación de la función flowdirection en un modelo de elevación digital hipotético.

flowdirection

gdem_cuenca

gfd_cuenca



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Comando WATERSHED del sistema ArcInfo. El comando watershed genera una cuenca de drenaje o área de captación de un punto, definiendo todas las celdas que fluyen hacia el punto en cuestión. Esta información es tomada de la matriz construida con la función flowdirection. Si el punto es la desembocadura de la cuenca, al aplicar la función se genera una matriz que representa el área de la cuenca, cuyo límite es la divisoria de aguas. La matriz generada por este proceso presenta un valor asignado por el sistema para las celdas que fluyen hacia el punto específico y a los otros puntos no le asigna ningún valor (NODATA). Si en vez de un solo punto se entran varios puntos, y estos coinciden con desembocaduras de drenajes afluentes a otros drenajes, entonces se genera una matriz con celdas con varios valores, cada uno de los cuales especifica una microcuenca. Por último se cambia la estructura de la matriz de raster a vector para construir coberturas de polígonos que representan la cuenca o área de captación, esto se logra con la aplicación del comando gridpoly del sistema ArcInfo. La cobertura generada se denominó cwshed_cuenca. Para las cuencas del estudio, se consideró la cuenca de drenaje hasta un punto de interés que coincide con el punto seleccionado para la instrumentación limnigráfica o limnimétrica en cada una de ellas, el cual no siempre coincide con la desembocadura de la corriente principal. De las cuencas del estudio, sólo coincide el punto de interés con la desembocadura de la cuenca en las quebradas La Picacha, La Hueso, La Iguaná y La Castro. Para el caso de la cuenca de la quebrada Altavista, este punto está a la altura de la calle 65, en el cruce con la calle 30. Aguas debajo de dicho punto la quebrada recibe las aguas de la quebrada La Guayabala, por lo tanto, si se considera su desembocadura en el río Medellín, se estaría teniendo en cuenta las redes de drenaje de las dos cuencas en lugar de solamente la primera. Para la cuenca de la Ana Díaz, se escogió el punto donde ésta le cae a la quebrada La Hueso para así poder considerar el área de drenaje de las dos cuencas por separado. En la cuenca de la quebrada Santa Elena, se consideró el punto más bajo como aquél en el que la quebrada entra al box coulvert de la avenida La Playa, ya que a partir de ese punto y hasta cerca de su desembocadura en el río Medellín el cauce está completamente cubierto.

5.1.3 Generación de redes de drenaje a partir de los modelos de elevación digital. Para generar una red de drenajes a partir de un modelo de elevación digital se deben efectuar los siguientes pasos: aplicar la función flowdirection al modelo de elevación digital (ver numeral anterior); a la matriz generada se le aplica la función flowaccumulation y a la matriz arrojada por este proceso se le define el umbral de flujo, el cual corresponde al número de celdas que drenan a un punto en particular a partir del cual se presenta un



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drenaje permanente, o lo que es lo mismo, el área de captación necesaria para que se presente una corriente. La matriz generada se nombró grd_cuenca. A continuación se detallarán estos pasos. Comando FLOWACCUMULATION del sistema ArcInfo. El comando flowaccumulation genera una matriz de flujo acumulado para cada celda, calculando el total de celdas que fluyen hacia cada celda de la matriz. Los parámetros de entrada son la matriz de dirección de flujo y una matriz de peso que representa el peso asignado a cada celda de la matriz. Si no se especifica la matriz de peso, el sistema le aplica un peso de uno a cada celda y así la matriz resultante será el número total de celdas que fluyen hacia cada celda. Las celdas con una gran acumulación de flujo son celdas con flujo concentrado y pueden ser utilizadas para definir las corrientes permanentes, mientras que las celdas con valor de acumulación igual a cero son máximos topográficos que representan cuchillas o topes de colinas. Si se asigna una matriz de peso que represente la cantidad de escorrentía generada por una celda en una lluvia en particular, entonces la matriz resultante será el caudal instantáneo que presenta cada celda en el evento analizado. Un ejemplo que representa la aplicación de la función flowaccumulation en una matriz generada por la aplicación de la función flowdirection a un MED es:

Figura 14. Aplicación de la función flowaccumulation en una matriz de dirección de flujo. Definición del valor umbral a partir del cual se presenta un drenaje permanente. Luego de la construcción de la matriz que representa la acumulación de flujo en cada celda es necesario definir el valor umbral a partir del cual se presenta un drenaje permanente, o lo que es lo mismo, el área mínima de captación para que se de flujo concentrado en corrientes. Dicho valor depende de varios factores geomorfológicos:

gfd_cuenca gfa_cuenca

flowaccumulation



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Condiciones climáticas de la cuenca. Cuencas o áreas de cuencas con altos niveles de precipitación, representados en medias de precipitación anual alta, generan drenajes permanentes en áreas de captación menor que cuencas con bajos niveles de precipitación.

Geología. Cuencas o áreas de cuencas desarrolladas sobre rocas permeables requieren mayores áreas de captación para generar drenajes permanentes que aquellas desarrolladas sobre rocas impermeables.

Vegetación. Cuencas o áreas de cuenca sobre vegetación reguladora de agua requiere áreas de captación mayor para generar drenajes permanentes que otras con vegetación baja o suelos desnudos en donde se facilita la generación de flujos concentrados.

Un recurso usual es generar varias redes de drenaje con diferentes valores umbrales teniendo en cuenta condiciones similares para la totalidad de la cuenca. Posteriormente se efectúa una verificación visual con una red de drenaje generada a partir de una fotointerpretación en la escala de trabajo y se define cual de los valores umbrales se acerca más a la red de drenaje real. En la actual investigación se definió el valor umbral en 500 celdas por comparación con la cobertura de hidrografía de la cartografía suministrada por planeación municipal, que se encuentra en escala 1:10000, igual a la escala de trabajo del actual proyecto. Este valor corresponde a un área de captación de 12500 m2, que sería el área necesaria para que se presente una corriente cartografiable a dicha escala. El comando utilizado para el proceso descrito se ejecuta en el módulo Grid del sistema ArcInfo y su sintaxis es:

Grid: grd_cuenca = con (gfa_cuenca > 500, 1) Lo que significa que a las celdas de la matriz de acumulación que presentan un valor mayor de 500 se les asigna el valor de 1, mientras que a las demás se les asigna el rótulo de NODATA. En el ejemplo mostrado en la figura 20 dicho umbral se definió como 7 y la red de drenaje resultante está representada por las celdas grises.

5.1.4 Redes de drenaje con números de orden según Strahler y Shreve. Teniendo la red drenaje generada con la aplicación del proceso descrito en el numeral anterior se aplica la función streamorder del sistema ArcInfo para encontrar los números de orden de las corrientes según los métodos propuestos por Strahler (1957) y Shreve (1966). El orden de las corrientes identifica y clasifica los tipos de corriente basados en el número de corrientes tributarias. En los dos métodos propuestos se asigna un número de orden de 1 a las corrientes que no poseen tributarios. En el método de Strahler el orden de la corriente se incrementa cuando dos corrientes del mismo orden se interceptan, así la intersección de dos corrientes de orden 1 genera una corriente de orden dos, mientras la intersección de dos corrientes de orden 2 genera una corriente de orden 3. La



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intersección de dos corrientes de orden diferente no genera un orden diferente, por ejemplo si se interceptan una corriente de orden 3 con una corriente de orden 1, la corriente resultante no incrementa su número de orden, conservando el orden de la corriente mayor, que en este caso es 3. Teniendo en cuenta que este método solo incrementa el orden de una corriente cuando se interceptan dos corrientes del mismo orden, no se cuentan todas las uniones que se encuentran en una red de drenaje y puede ser muy sensible a la adición o sustracción de uniones, por lo tanto depende mucho de la escala de trabajo. El método del número de orden según Strahler es el más utilizado en la actualidad.

Figura 15. Número de orden según Strahler. El método de Shreve cuenta todas las uniones entre la red de drenaje. Al igual que el método de Strahler se le asigna un número de orden 1 a las corrientes sin tributarios, la diferencia es que todas las intersecciones cuentan para aumentar el número de orden de las corrientes, así la unión de una corriente de orden 2 con una corriente de orden 3 genera una corriente de orden 5, es decir, es un método aditivo. Debido a esto, el número de orden de Shreve se toma más como una descripción de la magnitud más que el orden o jerarquía de la corriente. La magnitud de una corriente según este método es el número de intersecciones que convergen en esta.

Figura 16. Número de orden según Shreve.



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Posteriormente es necesario vectorizar las redes de drenaje generadas, las cuales presentan el número de orden como un atributo. Esto se logra con el comando streamline del sistema ArcInfo. Las siguientes figuras presentan la red de drenaje con el número de orden según Strahler y Shreve generadas a partir de los modelos de elevación digital para la cuenca de la quebrada La Castro. Los números de orden del resto de cuencas del estudio se presentan en sus respectivos anexos.

Figura 17. Números de orden de la red de drenaje de la cuenca de la quebrada La Castro, según Strahler.



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Figura 18. Números de orden de la red de drenaje de la cuenca de la quebrada La Castro, según Shreve.

5.1.5 Curvas hipsométricas de las cuencas. La curva hipsométrica es la representación gráfica del relieve de una cuenca de drenaje. En ésta es posible observar la variación de la elevación del terreno de la cuenca con referencia al nivel medio del mar (Monsalve, 1995). En la curva hipsométrica se relaciona el valor de la elevación en las ordenadas con el porcentaje de área acumulada por encima de dicha elevación en las abscisas. Para construirla se grafican los valores medios de elevación de cada intervalo contra la correspondiente área acumulada, teniendo en cuenta que al valor de elevación mayor le corresponde el 0 % del área acumulada, ya que no hay área por encima de ese valor, y al valor de elevación menor le corresponde el 100



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% del área acumulada, pues toda el área de la cuenca tiene elevaciones que están por encima de este último. La curva hipsométrica representa el porcentaje de área acumulada igualada o excedida por un valor de elevación determinado y sirve para definir las características geomorfológicas de las cuencas de drenaje, ya que ayuda en la visualización de la distribución de la elevación con respecto al área en la cuenca. Ya que su construcción se lleva a cabo siguiendo un procedimiento que involucra cálculos matemáticos sencillos (elevaciones medias, áreas y porcentajes de área), no es afectada por la subjetividad del investigador y es considerada una buena forma de presentar los datos para su posterior interpretación. Aprovechando la información de los modelos digitales de elevación se construyeron las curvas hipsométricas para las cuencas del estudio. En la figura 19 se presenta la curva hipsométrica de la cuenca de la quebrada La Castro. Para el resto de las cuencas del estudio, las curvas hipsométricas se presentan en sus respectivos anexos.

Figura 19. Curva hipsométrica de la cuenca de la quebrada La Castro. Para la construcción de las curvas, se tomó el modelo digital de elevación de cada cuenca en el sistema ArcInfo y se clasificó en intervalos de elevación de 50 m a los cuales se les asignó el valor de su altura media, por ejemplo, al intervalo que está comprendido entre 1650 y 1700 msnm, se le asignó el valor de su altura media, 1675 msnm. A este nuevo modelo de elevación clasificado se le construyó una tabla de valores de atributos que indica cuántas celdas pertenecen a cada intervalo. La tabla VAT se exportó a un archivo ascii y éste fue importado desde el programa Microsoft Excel, en el cual se procedió a ampliar la tabla calculando el área de cada intervalo (multiplicando el número de celdas por 25 m2 que es el área que representa cada celda), el porcentaje de área de cada intervalo con respecto al total de la cuenca y el porcentaje de área acumulada de cada intervalo desde el intervalo más alto al más bajo. Por último se graficó la columna de elevaciones, en las ordenadas, contra la columna de porcentaje de área acumulada, en las abscisas.



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La curva hipsométrica de una cuenca puede considerarse como una especie de perfil generalizado de la cuenca de drenaje (Remeneiras, 1974). Según Monsalve (1995), una curva hipsométrica cóncava representa una cuenca con valles amplios y filos escarpados en la parte alta de la cuenca, mientras que una convexa representa una cuenca con valles profundos y zonas planas hacia la parte alta. En la realidad la interpretación no es tan fácil, ya que lo que se tiene es una situación más compleja en el relieve de cada cuenca. Ya que según Remeneiras (1974) es posible asimilar la curva hipsométrica a un perfil generalizado de la cuenca, se puede afirmar que de las cuencas del estudio, las de la zona suroccidental, con excepción de la Ana Díaz, son cuencas que presentan laderas más pendientes y valles estrechos hacia las cabeceras de las mismas y entran a la planicie aluvial del río Medellín con pendientes mucho más suaves a partir de los 1700 a 1650 msnm. En el caso de la cuenca Ana Díaz, las pendientes fuertes predominan también en la parte alta de la cuenca, con un cambio que puede ubicarse alrededor de los 2450 msnm, pasando a pendientes moderadas que predominan hasta cerca de los 1700 msnm, punto en el que se presenta un nuevo cambio de pendiente y que puede asimilarse al inicio de la zona de pendientes bajas en la cuenca, que es mucho más pequeña, en porcentaje de área, que las de las otras cuencas vecinas y que coincidiría con la zona de la planicie aluvial del río Medellín. Esto se debe en parte a que aquí se considera la cuenca de la quebrada Ana Díaz hasta el punto de su desembocadura en la quebrada La Hueso, a la altura del colegio Jesús María. La cuenca de la quebrada La Iguaná presenta laderas con pendientes muy fuertes y valles estrechos e incisados por encima de los 2700 msnm, a partir de ahí y hasta los 1900 msnm aproximadamente, existe un predominio de laderas con pendientes moderadas a fuertes. Desde los 1900 msnm hasta el punto más bajo, la tendencia general es a presentar laderas con pendientes muy fuertes, lo que indica que aunque debería tenerse una zona de pendientes muy bajas correspondiente a la planicie aluvial del río Medellín, ésta es un porcentaje muy pequeño del área de la cuenca (ver anexo 6), y lo que predomina son las laderas de pendientes más fuertes. En la curva hipsométrica de la quebrada Santa Elena es posible visualizar fácilmente la zona alta de la cuenca, cerca de su nacimiento, en la que existe un predominio de valles estrechos y laderas con pendientes fuertes, hasta los 2680 msnm aproximadamente. A partir de ahí y hasta los 2500 msnm la cuenca tiene un predominio de zonas con pendientes bajas, que corresponden a la parte del altiplano de Santa Elena. Desde los 2500 msnm y hasta los 1600 msnm aproximadamente predominan laderas con pendientes moderadas a fuertes, que corresponden al escarpe oriental del Valle de Aburrá y las zonas más bajas cercanas a éste. A partir de ahí y hasta la entrada al box coulvert de la avenida La Playa, que se ha considerado como el punto más bajo de la cuenca para efectos del presente estudio, se presenta un pequeño tramo de la curva más inclinado, que puede estar indicando que las pendientes en la zona cercana al box coulvert son más fuertes que las del intervalo anterior y pueden ser producto de la incisión de la corriente principal. La curva hipsométrica de la cuenca de la quebrada La Castro presenta dos segmentos fácilmente diferenciables, la parte alta de la cuenca hasta los 1900 msnm aproximadamente y de allí hasta la desembocadura en la quebrada Santa Elena. La primera parte de la curva indica que arriba de los 1900 msnm predominan las laderas con



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pendientes bajas a moderadas y debajo de los 1900 msnm las laderas de la cuenca presentan pendientes mucho más fuertes, lo cual es evidencia de la incisión de la quebrada en este tramo y el encañonamiento que se observa en la zona cercana a su desembocadura, en los barrios Caicedo y Villa Liliam.

5.1.6 Análisis de pendientes. Con la aplicación de la función slope de ArcInfo en los modelos de elevación digital se genera una matriz (grid) que presenta para cada celda el valor de la pendiente máxima con relación a sus celdas vecinas, o lo que es lo mismo la tasa de cambio máximo en la elevación para cada celda, que puede ser en porcentaje o en ángulo. La figura 20 esquematiza el cálculo de la pendiente dada en ángulo para cada celda. Figura 20. Cálculo de la pendiente para cada celda. El proceso de cálculo utilizado por el sistema ArcInfo tiene en cuenta una matriz vecina de 3x3 para cada celda y por medio de una técnica denominada el máximo promedio, calcula la pendiente promedia máxima para cada celda. De la matriz generada con la aplicación de la función slope se extrajeron los siguientes productos: Pendientes promedio de cada cuenca. Es la media estadística de la distribución de valores de las pendientes para cada celda de la matriz. Dicho valor es un parámetro morfométrico utilizado en el método de las Ecuaciones de Regionalización de las Características Medias de Smith et al. (1997) para hallar caudales máximos instantáneos en las cuencas y en la obtención del hidrograma sintético utilizando el procedimiento del SCS. Estos valores se presentan en la tabla 8, punto 5.1.7.

θ

x

y

donde: y = diferencia de alturas entre celdas x = distancia entre celdas (tamaño de celda x 1 para celdas ortogonales ó tamaño de celda x 1.414 para celdas diagonales) θ = pendiente en ángulo θ = tan-1 (y/x)



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Histograma de frecuencias de las pendientes en cada cuenca. El histograma de frecuencias de las pendientes surge a partir de un análisis estadístico de la distribución natural de valores de las pendientes en el conjunto de celdas que conforman la matriz de valores. Para obtener el histograma de frecuencias, se tomó el archivo que representa la pendiente de cada celda, en números reales, y se pasó a un archivo de valores enteros utilizando la función ENT. Al archivo de valores de pendientes en números enteros se le construyó una tabla de valores de atributos, VAT, utilizando la función BUILDVAT. Dicha tabla se exportó del sistema ArcInfo a un archivo ascii y éste último fue importado al programa Microsoft Excel, en el cual se procedió a calcular el porcentaje de celdas con el mismo valor de pendiente. Por último, se graficó ese porcentaje de celdas, que es igual al porcentaje de área, contra el valor de la pendiente en grados. El histograma de pendientes para la cuenca de la quebrada La Castro se presenta en la figura 21. Para el resto de cuencas del estudio, estos se presentan en los respectivos anexos.

Figura 21. Histograma de frecuencias o distribución natural de las pendientes en la cuenca de la quebrada La Castro.

Al desplegar los mapas de pendientes en el módulo ArcMap del sistema ArcInfo es posible clasificar en intervalos las pendientes por varios métodos diferentes, de los cuales se utilizó el método denominado quiebres naturales (Natural Breaks), que corresponde a una diferenciación natural de los intervalos de pendientes en varias clases. Lo interesante de esta clasificación es que muestra las tendencias naturales de agrupamiento de los valores en cada distribución, acorde a la realidad de la cuenca, y por lo tanto, es menos subjetiva que las clasificaciones en las que se escogen intervalos arbitrariamente. A partir de dicha clasificación es posible determinar de manera aproximada a que unidad



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geomorfológica pertenece cada clase, ya sea a unidades derivadas de procesos depositacionales (por ejemplo depósitos aluviales, depósitos de vertiente) o unidades en donde predominan procesos erosivos. Después de observar las tendencias de agrupamiento natural en cuatro clases de las cuencas del estudio, se decidió clasificar las pendientes, para efectos del estudio y teniendo en cuenta el comportamiento del fenómeno lluvia / escorrentía, en los intervalos que se especifican en la tabla 7. Tabla 7. Intervalos de agrupamiento natural para la clasificación de pendientes, determinados por el método de Quiebres Naturales, para las cuencas del estudio.

Cuencas Zona Suroccidental La Iguaná y Doña María Santa Elena Zona Noroccidental

0° a 10° 0° a 10° 0° a 13° 0° a 10°

11° a 22° 11° a 20° 14° a 22° 11° a 20°

22° a 32° 21° a 31° 23° a 32° 21° a 52°

33° a 60° 32° a 61° 32° a 61°

Para esta clasificación se agruparon las cuencas de la zona suroccidental, puesto que presentan características litológicas y de uso del suelo similares, y se definió la misma clasificación para las cuatro cuencas. En el caso de la cuencas Santa Elena y La Castro, se determinaron los intervalos para toda la cuenca Santa Elena y se trabajó la subcuenca de la quebrada La Castro con los mismos intervalos. En el caso de La Iguaná y la Doña María, los intervalos resultantes fueron muy similares, por lo que se decidió unificarlos para estas cuencas. Mapas de pendientes clasificadas. Con los intervalos de pendientes por cuencas definidos en el numeral anterior se genera una nueva matriz que presenta las clases espacializadas. Esto se obtiene reclasificando la matriz de pendientes con los intervalos definidos, los cuales se especifican en una tabla denominada REMAP TABLE, que es un archivo de texto que el sistema ArcInfo toma como parámetro de entrada. Estas nuevas matrices son las que se utilizan para la generación de zonas con coeficiente de escorrentía homogéneo, con la suposición de que en los intervalos definidos la relación precipitación – escorrentía presenta un comportamiento similar. A continuación se presenta el mapa con los intervalos de pendientes obtenidos con la aplicación del proceso descrito para la cuenca de la quebrada La Castro, para el resto de cuencas del estudio este mapa se presenta en sus respectivos anexos.



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Figura 22. Mapa de pendientes clasificadas de la cuenca de la quebrada La Castro.

5.1.7 Parámetros morfométricos de las cuencas obtenidos a partir del MDE. Los parámetros morfométricos son aquellas medidas de forma de la cuenca y la quebrada, tales como área, longitud de la cuenca, longitud del cauce principal, cota mayor, cota menor, perímetro, pendiente del cauce y pendiente de la cuenca entre otros. Una vez se tiene la información cartográfica en formato digital, y se ha construido el modelo de elevación digital de cada cuenca, es posible determinar con rapidez y buen grado de exactitud los parámetros morfométricos de cada cuenca. En la tabla 8 se presentan los parámetros morfométricos de las cuencas de las quebradas del estudio, obtenidos a partir de modelos de elevación digital.



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Tabla 8. Parámetros morfométricos de las cuencas obtenidos a partir de los modelos de elevación digital. Parámetros morfométricos:

Cuencas:

La

Iguaná Santa Elena

La Castro La Hueso Ana Díaz La

Picacha Altavista Minitas Quintana

Doña María

Area de la cuenca (km2):

51.22 39.46 4.22 12.38 9.17 10.65 13.71 1.28 2.44 72.6

Longitud del cauce principal (km):

15.29 12.08 4.238 6.767 9.275 10.878 10.549 4.187 4.787 22.1

Longitud del cauce principal hasta la

divisoria (km): 16.37 12.27 4.423 7.043 9.479 11.028 10.725 4.502 5.035 22.2

Cota mayor del cauce (msnm):

2555 2620 2500 2132 2485 2424 2227 2146 2206 2906

Cota mayor de la cuenca (msnm):

3137 2800 2560 2346 2661 2540 2411 2223 2328 3081

Cota menor (msnm): 1457 1505 1630 1478 1480 1464 1475 1446 1444 1522

Perímetro de la cuenca (km):

50.85 40.6 14.48 22.03 26.56 27.72 28.67 11.96 13.81 60.3

Diferencia de cotas en el cauce principal (m):

1098 1115 870 654 1005 960 752 700 762 1384

Pendiente del cauce (%) (dif. entre ptos

extremos): 7.18 9.23 20.53 9.66 10.84 8.83 7.13 16.72 15.92 6.26

Pendiente media de la cuenca (%):

39.03 33.17 44.41 33.53 44.26 33.40 35.10 25.25 23.82 40.40

Pendiente media de la cuenca (grados):

21.32 18.35 23.94 18.53 23.87 18.47 19.40 14.17 13.40 22

Forma de las cuencas. La forma de la cuenca es importante porque está relacionada con el tiempo de concentración (ver capítulo 7, análisis hidrológico) así, caracterizando la forma de la cuenca puede inferirse el comportamiento de la misma con respecto al tiempo de concentración y por ende con respecto a las lluvias necesarias para producir inundaciones en la misma. Para caracterizar la forma de la cuenca se utilizan índices de forma, de los cuales se destacan, por su facilidad de cálculo, el de Gravelius o coeficiente de compacidad, Kc, y el factor de forma, Kf, los cuales se explican a continuación. Índice de Gravelius. El índice de Gravelius relaciona el perímetro de la cuenca con la longitud de la circunferencia de un círculo de área igual al área de la cuenca (Monsalve, 1995). Se calcula utilizando la fórmula:

Kc = 0.28P / A1/2 Donde P es el perímetro de la cuenca, en Km, y A, el área de drenaje en Km2. Mientras más irregular sea la cuenca de drenaje, es decir, de forma más diferente a un círculo, mayor será su índice de Gravelius. Las cuencas de forma aproximadamente circular tienen coeficientes de Gravelius mínimos, con valores cercanos a 1, y tienen mayor tendencia a presentar inundaciones, ya que el tiempo de concentración tiende a ser menor en cuencas de forma circular que en cuencas de forma elongada o de forma rectangular. En la tabla 9 se presenta el Índice de Gravelius para las cuencas del estudio.



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Factor de forma. El factor de forma relaciona el ancho medio de la cuenca con la longitud axial de la misma (Monsalve, 1995). Ésta última se mide siguiendo la longitud del cauce principal, corriente más larga, desde la desembocadura hasta la divisoria de aguas de la cuenca. El ancho medio de la cuenca se obtiene de dividir el área de la cuenca por su longitud axial. El factor de forma se calcula utilizando la siguiente fórmula:

Kf = A / L2 En donde A es el área de la cuenca en Km2 y L la longitud axial de la cuenca en Km. En una cuenca con un factor de forma bajo es probable que se presenten menos inundaciones que en una cuenca del mismo tamaño pero con un factor de forma más alto. La importancia de calcular estos factores para las cuencas del estudio, en particular al comparar las de área similar, radica en que éstos pueden dar una idea preliminar de cuáles de ellas merecen más atención en cuanto a las labores de prevención de inundaciones, ya que es probable que su ocurrencia sea mayor que en las otras. En la tabla 9 se presenta el factor de forma de las cuencas del estudio. Tabla 9. Índices de forma de las cuencas del estudio trabajadas hasta el momento.

Índices de forma

Cuencas

La Iguaná Santa Elena


Picacha Altavista Mnitas Quintana

Doña María

Indice de Gravelius 1.99 1.81 1.97 1.75 2.46 2.38 2.17 2.96 2.48 1.98

Factor de forma

0.18 0.24 0.18 0.22 0.09 0.08 0.11 0.05 0.08 0.14

Densidad de drenaje. La densidad de drenaje se calcula llevando a cabo la sumatoria de las longitudes de todas las corrientes de agua de la cuenca y luego dividiéndola por el área de la misma. Según Monsalve (1995), la densidad del drenaje usualmente toma valores entre 0.5 Km/Km2, para cuencas con drenaje “pobre”, hasta 3.5 Km/Km2, para cuencas “excepcionalmente bien drenadas”. La medición de la densidad de drenaje depende de la escala de la cartografía utilizada, así, en escalas más detalladas, por ejemplo 1: 1000 o 1: 2000, aparecen más corrientes de agua cartografiadas que en escalas menos detalladas, por ejemplo 1: 25000. En las primeras aparecen cartografiadas por lo general toda suerte de caños, desagües, y hasta drenajes temporales, mientras que en las últimas sólo aparecen los drenajes bien conformados y visibles a dicha escala. Así mismo, a escalas regionales, como 1: 100.000, sólo aparecen cartografiados los ríos principales y algunos de sus afluentes. En la tabla 10 se presenta la densidad de drenaje de las cuencas del estudio, hallada a partir de la información suministrada por las redes de drenaje generadas a partir de los modelos de elevación digital y que fueron preparadas, por comparación visual, para escala de trabajo 1 : 10000.



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Tabla 10. Densidad de drenaje en km/km2 para las cuencas del estudio, con base en la información obtenida de las redes de drenaje generadas a partir de los MDEs.

Cuencas

Iguaná St Elena Castro Hueso Ana Díaz Picacha Altavista Minitas Quintana Doña María

6.76 6.48 5.57 5.16 5.64 6.45 6.22 8.77 8.26 5.23 La densidad de drenaje depende principalmente de la interacción entre litología, relieve y clima. Por ejemplo, las zonas de clima húmedo, con litología de rocas o suelos derivados de ellas con baja permeabilidad y relativamente planas tendrán alta densidad de drenaje, mientras que zonas con presencia de rocas más permeables, con climas más secos y más pendientes, tendrán menor densidad de drenaje. Teniendo en cuenta estas ideas, cabe comparar la densidad de drenaje de las cuencas de la zona suroccidental de la ciudad, en las cuales la litología y el relieve son similares. En la tabla se observa una densidad de drenaje un poco menor en las cuencas de las quebradas Ana Díaz y La Hueso que en las cuencas de las quebradas Altavista y La Picacha, lo que podría estar indicando leves diferencias en la pluviosidad de ambas zonas, con presencia de clima más seco al norte que al sur. Esta hipótesis se puede comprobar luego de obtener datos a partir de la instrumentación efectuada en la presente investigación. Una observación de la vegetación presente en las cuencas de las quebradas de la zona suroccidental que están ubicadas hacia el norte, es decir, La Hueso y la Ana Díaz, permite inferir que la pluviosidad puede variar tal como se expuso anteriormente.

5.2 Superposición de mapas para la generación de zonas homogéneas. Las zonas homogéneas surgen de superponer los mapas de pendientes, formaciones superficiales y usos del suelo de cada cuenca; teniendo en cuenta que son la pendiente, la cobertura vegetal y los primeros niveles del suelo los parámetros que intervienen en la interrelación agua – suelo. A continuación se describen las zonas que se tuvieron en cuenta en cada uno de los mapas de entrada al proceso. Mapas de Pendientes. Los intervalos para diferenciar las pendientes se determinaron mediante un análisis estadístico de las pendientes de cada cuenca (histograma de frecuencias, clasificación por quiebres naturales). Así dichos rangos se acercan al comportamiento natural de las pendientes para cada cuenca, tal como se explicó anteriormente. Del proceso antes mencionado resultaron los intervalos descritos en la tabla 7. Mapas de Usos del suelo. Los usos del suelo tienen una gran importancia en el comportamiento hidrológico de una zona, puesto que la cobertura vegetal determina en gran medida la relación entre la precipitación y la escorrentía generada en un evento de lluvia. En la actual investigación se hizo una delimitación cartográfica de usos del suelo teniendo en cuenta las siguientes categorías:




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Urbano y suburbano: zonas en donde predominan las viviendas, carreteras y demás obras de infraestructura, no se encuentra cobertura vegetal y predominan las coberturas impermeables (pavimento, techos, etc.) por lo que el coeficiente de escorrentía es muy alto. Bosques: ya sea plantado o natural, se trata de zonas en donde predomina cobertura vegetal densa tanto de árboles como de arbustos y rastrojo. Estas zonas presentan coeficientes de escorrentía bajos. Pastos: todo tipo de pastos ya sean mejorados, tecnificados o nativos. No se diferenciará su utilización (ganadería intensiva, extensiva). Estas zonas presentan un coeficiente de escorrentía mayor que las zonas con cobertura vegetal densa. Suelo desnudo: Zonas degradadas por minería, zonas afectadas por movimientos en masa que no presenten cobertura vegetal. Son zonas con altos coeficientes de escorrentía y de gran aporte de sedimentos a las corrientes. Cultivos: Zonas dedicadas a la agricultura. No se diferenciaron tipos de cultivo (transitorios, permanentes). En estas zonas el coeficiente de escorrentía y la cantidad de aporte de sedimentos a las corrientes depende de la técnica de cultivo utilizada más que de la especie vegetal que se esté cultivando. En la presente investigación se supone que estas zonas presentan un coeficiente de escorrentía intermedio entre pastos y bosques. El mapa temático de usos del suelo de la zona de estudio no se pudo tomar de ninguna de las fuentes existentes, lo que hizo necesaria la fotointerpretación de las fotografías aéreas de 1998 existentes en la Planoteca del Municipio de Medellín, que fueron la base para la fotorestitución cartográfica digital utilizada en los proyectos SIGMA y SIGAME. Luego de acceder al mapa suministrado por Planeación Municipal y encontrar que la información cartográfica no se dejaba procesar, se averiguó la procedencia de dicho mapa y se encontró que éste se había levantado en el año de 1987 con una verificación en campo tendiente a la ubicación de zonas de protección para el Plan de Ordenamiento Territorial, en 1999. Posteriormente se procedió a una verificación de los usos del suelo, comparando las unidades presentes en el mapa en cuestión con las fotografías aéreas de 1998, en dos zonas escogidas al azar, una en el área de Santa Elena y otra en el área de San Cristóbal, y no se encontró una correspondencia adecuada. Debido a lo anterior se decidió generar un mapa de usos del suelo con la fuente de información más actualizada que se tiene y que posee la escala más cercana a la escogida para este estudio: las fotografías aéreas que se encuentran en Planeación Municipal, tomadas en 1998, con escalas aproximadas de 1:10000 en la zona urbana y de 1:20000 en la zona rural. La cartografía digital suministrada por el proyecto SIGAME contiene una cobertura denominada vegetación que básicamente presenta los usos del suelo en las categorías que se requieren para el estudio. De una revisión de dichas categorías se observó que algunos polígonos no cerraban y que otros no especificaban con claridad a que categoría de uso pertenecían. Para solucionar este vacío de información, se imprimieron mapas de las cuencas en escala 1: 20000, con las coberturas de topografía, catastro, hidrografía, vías y vegetación, y la información interpretada de las fotografías aéreas rurales en cuanto a los usos del suelo se trasladó a dichos mapas para determinar el uso del suelo en las categorías señaladas. Las coberturas de vías, topografía, catastro e hidrografía fueron



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útiles para ubicar bien las zonas y encontrar la correspondencia precisa entre los mapas y las fotografías aéreas, de manera que la información fuera lo más precisa posible y pudiera producirse rápidamente. Una vez estaban delimitadas las zonas en los nuevos mapas, se procedió a la digitalización de algunas líneas que cerraban los polígonos y a editar las coberturas. La edición se inició con la generación de una cobertura con topología de polígonos por cuenca a partir de las polilíneas organizadas en el paso anterior y finalmente con la inclusión de un campo en la tabla de atributos en donde se especificaba el uso del suelo de acuerdo con un código establecido para cada uso el cual se reseñará posteriormente. En la figura 23 se presenta el mapa de usos del suelo para la cuenca de la quebrada La Castro, para el resto de cuencas los mapas de usos del suelo se presentan en los respectivos anexos.

Figura 23. Mapa de usos del suelo de la cuenca de la quebrada La Castro.



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Mapas de Formaciones superficiales. El mapa de formaciones superficiales da cuenta de la delimitación cartográfica de zonas con material parental similar y de procesos geomorfológicos similares formadores de dichas zonas. Aunque tiene más relación con un mapa geomorfológico, se pueden delimitar zonas homogéneas en cuanto a las características de los tipos de suelos, ya que en el mapa de formaciones superficiales se ha delimitado los suelos derivados de diferentes materiales parentales. Dicha suposición es preliminar y se ha utilizado por la carencia total de cartografía de suelos en la zona de estudio, esto debido a que las zonas con buena cartografía de suelos son por lo general aquellas con vocación agrícola. Para etapas posteriores de investigación es necesario hacer una cartografía de suelos con un sentido hidrológico, esto es, determinar cuales características cartografiables tienen mayor incidencia en la relación precipitación – escorrentía. En el presente estudio se tomó la información suministrada por Planeación Municipal, utilizada para el Plan de Ordenamiento Territorial del Municipio de Medellín en 1999. El mapa de Formaciones Superficiales levantado en escala 1:10.000 delimita las formaciones en dos tipos: aquellas derivadas de la meteorización y formación de suelos in situ en rocas que afloran en la zona y aquellas que se forman por la depositación de material transportado ya sea por procesos ocurridos en las corrientes de agua (depósitos aluviales) o por procesos de vertiente (depósitos coluviales y depósitos de flujos). Suelos residuales: Se diferenciaron los suelos residuales derivados de las diversas rocas presentes en la zona de estudio (Stock de Altavista, Esquistos, Formación Quebradagrande, Anfibolita, Serpentinita, Neis de la Iguaná, Neis de Palmitas) así como aquellos suelos derivados de depósitos coluviales y flujos. Depósitos: Se diferenciarán depósitos coluviales, flujos de lodo y escombros y depósitos aluviales. La oficina de Planeación Municipal entregó el mapa de formaciones superficiales de la ciudad de Medellín en el formato de transferencia de archivos del sistema ArcInfo, e00. A partir de dicho archivo se generó una cobertura de polígonos con las formaciones superficiales de la zona de estudio. La edición consistió en construir una cobertura de polígonos por cuenca en la cual un campo de la tabla de atributos tuviera el código de la formación superficial. Dicho mapa carecía de información acerca de los depósitos de cenizas volcánicas observados en la zona del Corregimiento de Santa Elena, por lo tanto, se decidió editarlo para que diera cuenta de la presencia de dicho depósito. Para esta edición se tuvo en cuenta el cubrimiento aproximadamente generalizado que tienen las cenizas volcánicas en la zona del altiplano de Santa Elena. Así, se superpusieron en el programa ArcInfo el mapa de pendientes y el modelo digital de elevación con la divisoria de aguas de la cuenca de la quebrada Santa Elena, y se procedió a delimitar manualmente la zona del altiplano en escala 1: 2.500. Luego de tener delimitada la zona en una cobertura diferente, se procedió a superponerla con el mapa de formaciones superficiales para intersectar los polígonos con esta nueva división y se editó manualmente la tabla de atributos para asignar un código diferente a la Formación Superficial: Suelo residual derivado de Cenizas Volcánicas. En la figura 24 se presenta el mapa de formaciones superficiales de la cuenca de la quebrada La Castro. Para el resto de quebradas del estudio, los mapas de formaciones superficiales se presentan en sus respectivos anexos.

zh_cuenca

Simulación

de lluvias

CAMPO

Raster

2



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Figura 24. Mapa de Formaciones Superficiales de la cuenca de la quebrada La Castro. Una vez obtenidos los mapas de Formaciones Superficiales, Usos del Suelo y Pendientes se realizó una codificación de cada una de las categorías de los mapas. Para este proceso se añadió un campo numérico a la tabla de atributos de cada uno de los mapas para cada cuenca, y se asignaron los códigos de acuerdo a la categoría de la variable representada, tal como se ilustra en las tablas 11, 12 y 13.



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Tabla 11. Codificación para el mapa de Formaciones Superficiales.

Nomenclatura Código Tipo de Formación superficial

Qrvs/Kvs 01 Suelo residual / Afloramiento rocoso del la F. Quebrada Grande (R.V.)

Qrgd/Jgr 02 Suelo residual / Afloramiento rocoso del Gabro de Romeral

Qrnp/Pnp 03 Suelo residual / Afloramiento rocoso del Neis de Palmitas

Qrus/Jus 04 Suelo residual / Afloramiento rocoso de Rocas Ultramáficas de Romeral

Qrs/Ks 05 Suelo residual / Afloramiento rocoso de Serpentinita

Qra/Pa 06 Suelo residual / Afloramiento rocoso de Anfibolita

Qrgl/Kgls 07 Suelo residual / Afloramiento rocoso de Gabro de Loreto

Qrdg/Kgd 08 Suelo residual / Afloramiento rocoso del Stock de Altavista

Qre/Pes Qrk/Kev

09 Suelo residual / Afloramiento rocoso de Esquistos y Esquisto Feldespático

Qrod/Kod 10 Suelo residual / Afloramiento rocoso del Batolito Antioqueño

Qrni/Pni 11 Suelo residual / Afloramiento rocoso del Neis de la Iguana

Ra 12 Rocas Ultramáficas

Pa + Qc 13 Suelo residual / Afloramiento rocoso de Anfibolita Intercalada con Depósitos Coluviales

Qf 14 Depósitos de Flujos

Qc 15 Depósitos coluviales

Qal 16 Depósitos Aluviales en General

Qa 17 Depósitos Artificiales o Antrópicos

Qrvq/Kvq 18 Suelo residual / Afloramiento rocoso de la F. Quebrada Grande (M.S.)

Tabla 12. Codificación para el mapa de Usos del Suelo.

Categoría Código Tipo de uso del suelo

Bosque 100000 Vegetación densa y alta (bosques plantados, naturales, rastrojo alto)

Pasto 200000 Vegetación baja (Pastos nativos, manejados, mejorados, rastrojo bajo)

Cultivo 300000 Cultivos

Urbano 400000 Urbano

Suelo degradado

500000 Suelo degradado (explotaciones de material, suelo erosionado



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Tabla 13. Codificación para el mapa de Pendientes por cuencas.

Cuencas Código Intervalos de Pendientes en Grados

OCCIDENTAL (hu, an, pi, al)

1000 0 – 10

2000 11 – 22

3000 23 – 32

4000 33 – 64

IGUANA

1000 0 – 13

2000 14 – 22

3000 23 – 32

4000 33 – 74

MINITAS Y QUINTANA

1000 0 – 10

2000 11 – 20

3000 21 – 52

SANTA ELENA Y LA CASTRO

1000 0 – 10

2000 11 – 20

3000 21 – 31

4000 32 – 61

DOÑA MARIA

1000 0 – 13

2000 14 – 22

3000 23 – 32

4000 33 – 74

Luego de tener el campo con el código numérico, se procedió a convertir la estructura de datos de los mapas, pasando de la estructura vector, en la que se tiene polígonos con atributos, a la estructura raster, en la que se tiene una matriz uniforme de valores y el valor asignado a cada celda corresponde al campo del código asignado en los mapas en estructura vector (ver figura 25).

Figura 25. Esquema del proceso de rasterización. Una vez obtenidos los mapas en formato raster, se procedió a realizar una superposición simple, mediante la suma de mapas, para identificar las zonas que tienen las mismas características en cuanto a tipo de formación superficial, tipo de uso del suelo e intervalo de pendiente. Sumando los códigos de cada uno de los mapas se obtiene el código de la zona homogénea en cada celda. Por ejemplo, para una celda perteneciente a la cuenca de la quebrada Santa Elena puede tenerse:



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Formación Superficial: Suelo Residual de Anfibolita, código: 06 Uso del Suelo: Bosque, código: 100000 Pendiente: Intervalo entre 32 y 61 grados, código: 4000

Zona homogénea: código resultante de la suma: 104006 En la figura 26 puede visualizarse mejor el proceso de suma de mapas en formato raster, para una matriz 3 x 3 de ejemplo.

Figura 26. Esquema de superposición de los mapas en formato raster, mediante una suma sencilla de los valores correspondientes a cada celda para la obtención del mapa de zonas homogéneas con respecto al coeficiente de escorrentía. El resultado de la suma de mapas es un nuevo mapa en formato raster, que se denominó Mapa de Zonas Homogéneas, en el cual cada celda tiene almacenado el valor del código correspondiente, resultado de la suma simple de los códigos de formaciones superficiales, uso del suelo y pendientes para cada celda. En la figura 27 se presenta un ejemplo de Mapa de Zonas Homogéneas, para un sector de la cuenca de la quebrada Santa Elena.

+ +

Uso del Suelo Pendientes Formaciones Superficiales

Zonas Homogéneas



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Figura 27. Mapa de Zonas Homogéneas de un sector de la cuenca de la quebrada Santa Elena. El tamaño de celda es de 5 metros de lado.

5.3 Análisis Espacial. Luego de hacer la superposición para encontrar las zonas en cada cuenca, se hizo un análisis de la importancia relativa según el área, o porcentaje de cubrimiento, de cada una de esas zonas con respecto a la cuenca. Con este análisis se determinaron las zonas más importantes según su área dentro de cada cuenca, hacia las cuales se orientaron los ensayos con el simulador de lluvias para determinar el coeficiente de escorrentía. Para determinar el cubrimiento de cada zona se construyó la tabla de valores de los atributos de cada uno de los mapas en formato raster, denominada tabla VAT por el sistema ArcInfo. En dicha tabla sólo se almacenó la información acerca de los posibles valores que pueden tomar las celdas en el mapa y el número de celdas que tienen dicho valor. Ya que el tamaño de celda es constante, es posible entonces generar histogramas de frecuencia a partir de dicha tabla, para hallar los códigos que tienen un mayor cubrimiento areal. En la tabla 14 se presenta la tabla de valores para el mapa de zonas homogéneas de la cuenca de la quebrada La Quintana.



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Tabla 14. Zonas homogéneas para la cuenca de la quebrada La Quintana, número de celdas pertenecientes a cada zona, área y porcentaje de la misma en la cuenca descartando la zona urbana, cuyos códigos comienzan por 4.

Código ZH # de celdas ÁREA (Ha) % en cuenca

202015 23306 58.27 48.1

203015 8115 20.29 16.7

201015 5842 14.61 12.0

202014 3382 8.46 7.0

202006 2235 5.59 4.6

203014 1459 3.65 3.0

203006 1183 2.96 2.4

201014 664 1.66 1.4

102015 619 1.55 1.3

202017 378 0.95 0.8

201006 365 0.91 0.8

201017 267 0.67 0.6

101015 210 0.53 0.4

103015 167 0.42 0.3

102014 109 0.27 0.2

103014 70 0.18 0.1

203017 53 0.13 0.1

102017 29 0.07 0.1

101014 26 0.07 0.1

103017 8 0.02 0.0

101017 7 0.02 0.0

Total: 121.24 100.0

Para definir las zonas en las que se efectuaron los ensayos, se escogió un valor umbral del 5% del área rural, es decir, se decidió efectuar ensayos en aquellas zonas que tuvieran un área acumulada sobre la parte rural de la cuenca igual o mayor al 5 % (p. ej: ver tabla 14, valores escritos en rojo oscuro). De dichas zonas se descartaron las zonas de bosque, ya que por la naturaleza de los ensayos, los datos obtenidos en ensayos realizados en bosque están sobredimensionados, puesto que no se tiene en cuenta el porcentaje de captación y almacenamiento de la lluvia por parte de la vegetación del bosque. Con base en las tablas como la mostrada anteriormente se construyeron los histogramas de frecuencias que se presentan en las siguientes figuras y se seleccionaron las zonas en las cuales se efectuaron los ensayos. La línea roja señalada en los histogramas de frecuencia indica el límite del 5 %.



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Figura 28. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada La Picacha.

Figura 29. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada Altavista.

Figura 30. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada Ana Díaz.



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Figura 31. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada La Hueso.

Figura 32. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada Minitas.

Figura 33. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada La Quintana.



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Figura 34. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada Santa Elena.

Figura 35. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada La Iguaná.

Figura 36. Histograma de frecuencias para el porcentaje de área de las zonas homogéneas en la cuenca de la quebrada Doña María.



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Es importante anotar que la cuenca de la quebrada La Castro es una subcuenca de la Santa Elena y por lo tanto se analizó como tal, es decir, con los resultados obtenidos para la cuenca de la quebrada Santa Elena. En la tabla 15 se presentan los códigos de las zonas seleccionadas en cada cuenca y el porcentaje del área rural que cubren las mismas. Tabla 15. Zonas seleccionadas para ensayos con simulador de lluvias en cada cuenca, área cubierta por bosques y su porcentaje de área sobre el área rural de la misma.

Cuenca de la quebrada Altavista

Código ZH Área (Ha) % del área rural

202008 278.20 31.0

203008 139.96 15.6

204008 127.33 14.2

Total: 545.48 60.8

Bosques: 226.09 25.2

Cuenca de la quebrada La Picacha

202008 148.42 21.1

202014 107.54 15.3

203008 89.90 12.8

204008 40.00 5.7

Total: 385.86 54.9

Bosques: 189.22 26.9

Cuenca de la quebrada Ana Díaz

202008 166.56 23.2

203008 89.38 12.4

204008 52.40 7.3

Total: 308.34 42.9

Bosques: 341.37 47.5

Cuenca de la quebrada La Hueso

203008 147.36 30.5

204008 74.99 15.5

202008 59.28 12.3

Total: 281.64 58.4

Bosques: 146.42 30.3

Cuenca de la quebrada La Iguaná

203008 382 8.52

202006 264.69 5.91

202008 247.64 5.53

Total: 894.33 19.96

Bosques: 15.59 34.78



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Cuenca de la quebrada La Quintana

202015 58.27 48.1

203015 20.29 16.7

201015 14.61 12.0

202014 8.46 7.0

Total: 101.61 83.8

Bosques: 3.11 2.6

Cuenca de la quebrada Minitas

202015 11.72 31.6

203006 8.17 22.0

203015 4.82 13.0

201015 4.12 11.1

202006 2.00 5.4

Total: 30.83 83.1

Bosques: 5.45 14.7

Cuenca de la quebrada Santa Elena

201006 254.91 7.65

201005 253.44 7.61

202006 240.60 7.22

203005 178.81 5.37

Total: 927.78 27.85

Bosques: 1392.39 41.81

Cuenca de la quebrada Doña María

201014 325.84 5.12

202008 218.57 3.44

202002 21.85 0.34

Total: 566.26 8.9

Bosques: 2804.89 44.10

Además de las zonas seleccionadas, se efectuaron ensayos con el simulador de lluvias en zonas que cumplen las siguientes características:

Uso silvopastoril, pendiente 8 y formación superficial depósito de flujos.

Bosque de pinos, pendiente mayor de 32 y formación superficial suelo residual de esquistos.

Bosque nativo, pendiente 10 y formación superficial cenizas volcánicas sobre suelo residual de Anfibolita.

Suelo desnudo, pendiente de 18 y formación superficial suelo residual del Stock de Altavista.

Lo anterior se hizo con el fin de tener un valor estimado para comparar entre pastos y uso silvopastoril para la misma pendiente y misma formación superficial, para tener un indicativo de cuál es el orden del coeficiente de escorrentía en los bosques medido con el simulador de lluvias y para tener un valor del coeficiente de escorrentía en zonas con suelo desnudo y comparar con zonas de pastos en el mismo intervalo de pendiente y para la misma formación superficial.



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6 Determinación de coeficientes de escorrentía. En el presente capítulo se presentan los pasos llevados a cabo para determinar el Coeficiente de Escorrentía en cada zona homogénea, basados en ensayos de campo con la utilización de un simulador de lluvias portátil. Los resultados de cada uno de los ensayos de campo se presentan en el anexo digital del trabajo. El objeto final de los pasos seguidos es determinar la relación entre la intensidad de una lluvia y el coeficiente de escorrentía para cada celda perteneciente a una zona homogénea con relación a su comportamiento hidrológico, caracterizado por el coeficiente de escorrentía. Esto es, la obtención de mapas que presenten el coeficiente de escorrentía espacializado para cada cuenca de estudio. Las zonas homogéneas surgen a partir de la superposición de mapas de usos del suelo, formaciones superficiales y pendientes, teniendo en cuenta que es la vegetación (representada en el mapa de usos del suelo), los primeros niveles del suelo (representados por el mapa de formaciones superficiales) y la pendiente los parámetros que más influyen en el comportamiento hidrológico de una zona. Durante el período de campaña se hizo simulación de lluvias en 23 sitios diferentes, de 4 a 11 ensayos por sitio, para un total de 159 ensayos. A partir de un análisis estadístico de los resultados obtenidos en los ensayos de campo se determinó el coeficiente de escorrentía para cada parcela con la aplicación de lluvias máximas definidas por análisis de Intensidad – Duración – Frecuencia realizados en estaciones pluviográficas ubicadas en la zona de estudio. Finalmente el comportamiento del coeficiente de escorrentía encontrado en las parcelas circulares se supone igual para áreas cuadradas de 25 m2, correspondiente al tamaño de celda de los mapas con estructura raster para cada cuenca, que queda espacializado en el mapa de zonas con coeficiente de escorrentía homogéneo para cada cuenca. El resultado final de los ensayos para determinar los coeficientes de escorrentía en zonas homogéneas es el mapa de zonas productoras de escorrentía por cuenca, insumo fundamental en la toma de decisiones para planificar sistemas de alarma y acciones tendientes a la regulación del coeficiente de escorrentía para reducir el riesgo por inundación cerca de los cauces de las quebradas (cambios en los usos del suelo). Para la determinación del coeficiente de escorrentía en cada zona homogénea se decidió hacer ensayos en campo con un simulador de lluvias portátil que fue construido en la Universidad EAFIT modificando el diseño publicado por McQueen (USGS) en 1963 (ver figura 37). Ya que se esperaba un cambio en el coeficiente de escorrentía dependiendo de la intensidad de la lluvia aplicada y de la duración de la misma, se efectuaron diferentes ensayos en cada zona variando la intensidad y la duración de los mismos.



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Figura 37. Simulador de lluvias portátil. Diseño inicial publicado por McQueen en 1963 (tomado de McQueen, 1963, U.S. Geological Survey Circular 482).



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6.1 Características del Simulador de Lluvias Portátil. El simulador de lluvias portátil consta de varias unidades: una unidad de alimentación y control, una cabeza de simulador, un trípode de soporte y una pantalla contra el viento, una unidad de base que contiene un escudo para el salpicado y un sistema para medir la escorrentía (ver figura 38).

Figura 38. Simulador de lluvias portátil construido en la Universidad EAFIT (primera versión).

6.1.1 Unidad de Alimentación y Control. La unidad de alimentación y control es una probeta o cilindro graduado de plástico, con un tapón que tiene un orificio y un tubo de vidrio introducido en él que puede desplazarse (ver figura 39), denominado tubo de Mariotte. Esta unidad lleva a cabo tres funciones: (1) alimentación de agua durante el ensayo, (2) medición de la cantidad de agua suministrada al sistema, y (3) controla la cabeza hidráulica en el simulador y por ende la intensidad de la lluvia simulada.



75

Figura 39. Unidad de alimentación y control del simulador de lluvias portátil.

6.1.2 Cabeza del Simulador. El simulador utiliza el principio de capilaridad para la formación de las gotas de lluvia. En el diseño construido en la universidad EAFIT, las gotas de lluvia se forman en filamentos de nylon de 0.6 cm y 0.5 cm de diámetro, que están introducidos en agujas de jeringa, siguiendo una distribución uniforme en un círculo de acrílico, todo ensamblado en una porción de tubo de PVC de 16 cm de diámetro (ver figura 40). El tamaño de las gotas está controlado por el tamaño del filamento introducido en cada aguja, a mayor diámetro de filamento, menor tamaño de gota y por ende, menor intensidad de la lluvia aplicada.

Tubo de Mariotte

Probeta o cilindro graduado

Manguera de alimentación



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Figura 40. Cabeza del simulador de lluvias portátil.

6.1.3 Trípode de soporte y pantalla contra el viento. El trípode de soporte del aparato es un trípode convencional de topografía, marca KERN, de patas ajustables. La pantalla contra el viento utilizada en un principio (ver figura 41) es una teja plástica marca Ajover enrollada en sus extremos en tubo de PVC de 15.5 cm de diámetro aproximadamente, que se ajusta adentro del tubo de PVC de 16 cm con el que se construyó la cabeza del simulador y que se ajusta a ésta mediante un pequeño tornillo que hace las funciones de pasador (ver figura 40, pasador). Dicha pantalla se cambió luego por un cilindro de acrílico, el cual no resistió el trabajo de campo: fue necesario cambiarlo por un material menos rígido. La unidad de alimentación y control y la cabeza del simulador se colocan en una tabla de triplex que se ensambla al trípode y se nivela con un ojo de pollo. La pantalla de viento se ajusta a la cabeza del simulador desde la parte inferior y se asegura con el tornillo pasador.

Círculo de acrílico

Agujas con filamentos de nylon (amarillos y rojos)

Manguera de alimentación

Tornillo o pasador



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Figura 41. Trípode de soporte y pantalla contra el viento del simulador de lluvias portátil.

6.1.4 Unidad de base. La función de la unidad de base es no dejar escapar el agua en exceso, o escorrentía, lateralmente. También es posible acoplar un escudo para el salpicado en su lugar, que tiene forma de sección de cono, en el cual se pueden recoger los sedimentos que salpican a sus paredes para pesarlos luego. En el presente estudio se trabajó con una unidad de base cilíndrica de acero inoxidable (ver figuras 42 y 43), cuya función es únicamente asegurar que el flujo de agua que se da en la parcela sea vertical, es decir, que no hay pérdidas de agua por flujo lateral hacia el exterior de la parcela, y así permitir medir el agua en exceso que se succiona de la parcela con el sistema para medir la escorrentía.

Trípode de topografía

Pantalla contra el viento



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Figura 42. Detalle de la unidad de base cilíndrica del simulador de lluvias portátil. Esta unidad se entierra en el suelo y delimita la parcela del ensayo, a una profundidad que varía entre los 5 y 15 centímetros dependiendo del tipo de suelo, hasta que se pueda asegurar que no hay pérdidas de agua por flujo lateral a través de los límites de la parcela. De esta forma se asegura que el agua de la lluvia que no se infiltra en el suelo se acumule adentro de la parcela y que pueda ser succionada y medida en el sistema para medir la escorrentía. Ya que se disponía de un escudo en forma de sección de cono, de plástico, que fue adaptado de un embudo; éste se utilizó para asegurar que todas las gotas de lluvia cayeran adentro de la parcela, ya que algunas que resbalan por el borde de la pantalla de viento caían fuera de la parcela. De esta forma se aseguró que la lluvia que estaba cayendo realmente sobre la parcela era la que se estaba generando en la cabeza del simulador, y se minimizaron las pérdidas de agua por desviación de gotas.



79

Figura 43. Acople de la unidad base al resto del sistema, con el embudo para evitar pérdidas por desviación de gotas.

6.1.5 Sistema para medir la escorrentía. El agua en exceso producida en el ensayo se retira mediante succión de la parcela, y es conducida hasta otra probeta o cilindro de plástico graduado ubicado al lado del trípode de soporte (ver figura 44). El sistema para medir la escorrentía está compuesto por una probeta de almacenamiento, una pera de succión y dos mangueras, una que une la pera de succión con la probeta y otra que une a la probeta con la parcela. Al hacer un vacío con la pera de succión, éste se trasmite a la probeta y de allí a la parcela, succionando la lámina de agua que hay en exceso. Ya que la probeta de almacenamiento está graduada, es posible medir con exactitud cuánta agua está saliendo del sistema.

Unidad de base cilíndrica

Escudo para salpicadura (embudo)



80

Figura 44. Sistema para medir la escorrentía.

6.2 Procedimiento del ensayo de simulación de lluvias. Para efectuar el ensayo de simulación de lluvias se sigue el siguiente procedimiento: Selección del sitio: La selección del sitio del ensayo se hizo con base en los mapas de zonas homogéneas. Ya que en estos mapas los intervalos de pendientes se tomaron con base en mapas en formato raster con tamaño de celda de 25 m2, es necesario medir la pendiente local sobre el terreno, para asegurar que el ensayo se está llevando a cabo en la pendiente deseada. Una vez ubicada la parcela en la que se va a hacer el ensayo, se procede a enterrar la unidad base del simulador hasta una profundidad en la que se asegure que no habrá flujo lateral de agua a través de la unidad.

Mangueras

Probeta de almacenamiento

Pera de succión



81

Humedecimiento del suelo: Una vez enterrada la unidad base, se procede a humedecer el suelo con aproximadamente 1.5 litros de agua que se añade a la parcela. Esto se hace con el fin de alcanzar rápidamente las condiciones de saturación del suelo, y así medir los valores de infiltración de agua o escorrentía en el punto en que el suelo está saturado. Montaje del simulador: Luego de haber humedecido la parcela de suelo, se procede al montaje del simulador, ajustando la posición de la cabeza y la pantalla contra el viento de modo que queden alineadas con la unidad base. Luego se llena de agua la unidad de alimentación y control y la cabeza del simulador. Es necesario asegurarse de que todos los filamentos del simulador están generando gotas antes de comenzar el ensayo, para lo cual se hace un chequeo rápido y se induce la generación de gotas en todos los filamentos removiendo las burbujas de aire en los conductos (agujas de jeringa) e introduciendo agua a presión con una pequeña manguera. Ajuste de la intensidad de la lluvia para el ensayo: Cuando la cabeza del simulador está lista, se ajusta el tubo de Mariotte dentro de la unidad de alimentación y control hasta la altura deseada, que es la altura que va a tener la columna de agua dentro de la cabeza del simulador durante el ensayo. Existe una relación directa no lineal entre la altura de la columna de agua dentro del simulador y la intensidad de la lluvia simulada, pero dicha relación se ve afectada, aunque en forma mínima, por los cambios que induce el viento en la presión dentro del tubo de Mariotte y por los cambios en la presión atmosférica durante el día. Ajuste del sistema para medir la escorrentía: Se coloca la probeta para medir la escorrentía y se ajusta a una de las patas del trípode, se acoplan las mangueras, que van a la pera de succión y a la unidad base, y se ubica la boca de la manguera dentro de la unidad base en el punto más bajo de la parcela para recoger fácilmente la escorrentía producida. Toma de datos: Por último, se conecta la manguera de alimentación a la cabeza del simulador, se espera a que se igualen las presiones de la unidad de alimentación y control y de la cabeza del simulador, y una vez éstas igualen comienza la toma de datos. Para la toma de datos se espera que el nivel del agua llegue a 1000 ml dentro de la unidad de almacenamiento para tomar las condiciones iniciales del ensayo. Una vez se alcanza este nivel, se lleva el cronómetro a ceros, se anota la hora del ensayo y la presión atmosférica, y se anota el nivel del agua en la probeta de almacenamiento de escorrentía. Cada 5 minutos se lee el nivel del agua dentro de la unidad de alimentación y control, el nivel del agua dentro de la probeta de almacenamiento de escorrentía y se chequea el nivel del agua dentro de la cabeza del simulador para asegurarse de que el agua que está llegando a la parcela en forma de lluvia es la misma cantidad de agua que está pasando de la unidad de almacenamiento y control a la cabeza del simulador. Si esto no sucede, se debe corregir el volumen de lluvia con la diferencia de niveles dentro de la cabeza del simulador. En la tabla 16 se presenta un ejemplo de la toma de datos.



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Tabla 16. Ejemplo de toma de datos en el ensayo de simulación de lluvias de 1 hora de duración.

Lecturas de campo

Tiempo

(min.seg)

Volumen de Agua lluvia disponible

(ml)

Volumen recogido de escorrentia

(ml)

0 1000 120

5 900 210

10 825 278

15 765 337

20 715 385

25 675 418

30 620 460

35 575 495

40 540 525

45 500 560

50 460 590

55 420 620

60 380 645

Con los volúmenes de lluvia y de escorrentía se procede a calcular la intensidad de la lluvia, en mm/hr, cada 5 minutos y acumulada desde el inicio del ensayo, la escorrentía producida, también en mm/hr, cada 5 minutos y la acumulada desde el inicio del ensayo, y el coeficiente de escorrentía cada 5 minutos y el acumulado desde el inicio del ensayo. Para el cálculo de las intensidades y caudales de escorrentía, se tiene en cuenta que la parcela delimitada por la unidad base tiene aproximadamente 200 cm2 de área, que están recibiendo el volumen de lluvia medida en la unidad de almacenamiento y control, y se llevan todas las unidades a mm/hr. En la tabla 17 se muestra los resultados para los datos del ejemplo anterior, hasta el tiempo = 40 minutos. Tabla 17. Ejemplo de resultados para los datos de la tabla 16.

Lecturas de campo Resultados

Tiempo

(min.seg)

Volumen Lluvia

disponible (ml)

Volumen recogido

escorrentia (ml)

Intensidad de lluvia Escorrentía Coeficiente de Escorrentía

Cambio (mm/hr)

Acumulada (mm/hr)

Cambio (mm/hr)

Acumulada (mm/hr)

Cambio Acumulado

0 1000 120

5 900 210 60 60 54 54 0.9 0.9

10 825 278 45 52.5 40.8 47.4 0.90666667 0.90285714

15 765 337 36 47 35.4 43.4 0.98333333 0.92340425

20 715 385 30 42.75 28.8 39.75 0.96 0.92982456

25 675 418 24 39 19.8 35.76 0.825 0.91692307

30 620 460 33 38 25.2 34 0.76363636 0.89473684

35 575 495 27 36.4285714 21 32.1428571 0.77777778 0.88235294

40 540 525 21 34.5 18 30.375 0.85714286 0.88043478



83

La intensidad de la lluvia simulada, que es la cantidad de lluvia por unidad de área por unidad de tiempo, se calcula de la siguiente forma:

I = volumen de lluvia / (área x tiempo) Las unidades de volumen son mililitros, las de área centímetros cuadrados y las de tiempo minutos, para convertir ml / cm2 min a mm / hr, se tiene en cuenta lo siguiente:

área de la parcela = 200 cm2, 1 ml = 1 cm3

1 hr = 60 min 1 cm = 10 mm

así, para un volumen de lluvia de 1ml, caído durante 1 minuto, se tiene:

1 ml / min = 1 cm3 / min 1 cm3 / min = 60 cm3 / hr, teniendo en cuenta que esta lluvia se aplica sobre una parcela de 200 cm2, la intensidad de la lluvia unitaria tenida en cuenta anteriormente, es

I = 60 cm3 / hr / 200 cm2 , es decir, I = 60 cm3 / 200 cm2 hr, I = 0.3 cm /hr,

Ya que 1 cm = 10 mm, I = 3 mm / hr,

Así, para un volumen v , en mililitros, y un tiempo t, en minutos, y para una parcela de 200 cm2, la Intensidad de la lluvia, en mm/ hr, es:

I = 3 v / t (mm / hr) Para la cantidad de escorrentía producida se sigue exactamente el mismo procedimiento, ya que es escorrentía producida por unidad de tiempo y por unidad de área, y se convierte a mm / hr para calcular el coeficiente de escorrentía por simple división entre la Escorrentía producida y la intensidad de la lluvia aplicada.

6.3 Errores observados en los ensayos de simulación de lluvias. Son varias las fuentes de error observadas durante el proceso de simulación de lluvias. Estos errores que se reflejan en datos inconsistentes en la relación entre la intensidad de la lluvia aplicada a la parcela y el coeficiente de escorrentía generado, se pueden clasificar en dos tipos: los debidos al funcionamiento del equipo y los debidos a errores de lectura.



84

6.3.1 Errores debidos al funcionamiento del equipo. Con frecuencia se observaba que la intensidad de la lluvia no permanecía constante durante un ensayo, reflejada por las lecturas realizadas cada cinco minutos, aunque la cabeza de presión era la misma. La variabilidad en la intensidad durante un ensayo, se debe a cambios de presión debidos principalmente a corrientes de aíre que desestabilizan la presión en la entrada del tubo de Mariotte. Es así como la alimentación de agua al simulador se detenía y aceleraba por momentos. La intensidad de la lluvia decrecía notablemente en algunos ensayos. Después de varios días de utilización del simulador sin hacerle un lavado al mismo, las entradas a las agujas se obstruían debido a la acumulación de pequeñas partículas. Este problema se solucionaba con la limpieza exhaustiva de cada una de las entradas a las agujas. La manguera que alimenta la probeta receptora del agua en exceso (aquella que no se infiltra) dejaba de recoger agua. Esto se debía a que la entrada de la misma se obstruía con partículas de suelo o se desacomodaba, quedando en algún punto de la parcela diferente al punto más bajo (que es en donde se concentra el agua que no se infiltra). En algunos ensayos el simulador se desnivelaba, disminuyendo o aumentando bruscamente la alimentación de la probeta al simulador.

6.3.2 Errores de lectura. La división de la escala de lectura de las probetas en algunos casos no permitía efectuar lecturas precisas.

6.4 Localización de los ensayos de simulación de lluvias. La escogencia de las zonas homogéneas a las cuales se les efectuó ensayos con el simulador de lluvia surge a partir del análisis espacial, detallado en el capítulo 5 (análisis cartográfico). Durante el periodo de campaña se hizo simulación de lluvias en 23 sitios diferentes, de 4 a 11 ensayos por sitio, para un total de 159 ensayos, tal como se muestra en la figura 45. En cada sitio se hicieron ensayos a diferentes intensidades y diferentes duraciones, para buscar una relación entre el coeficiente de escorrentía y la intensidad de la lluvia simulada.



85

Figura 45. Número de ensayos de simulación de lluvias efectuados en cada sitio. La ubicación de los sitios en los que se llevaron a cabo los ensayos se muestra en la figura 46.

Figura 46. Localización de los sitios en los que se efectuaron ensayos con el simulador de lluvias.



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6.5 Presentación, análisis y extrapolación de datos. La hipótesis inicial considerada en la presente investigación es que el comportamiento hidrológico de las parcelas a las cuales se les simuló las lluvias es similar al comportamiento de una celda cuadrada de 25 m2. Para un acercamiento inicial esta suposición es válida, pero se debe comprobar en investigaciones posteriores con el monitoreo hidrológico de parcelas experimentales de mayor tamaño y con lluvias reales. Otras suposiciones tenidas en cuenta son: Al iniciar cada ensayo el suelo se encuentra saturado: Si se considera que las lluvias máximas que generan caudales máximos se presentan durante un período invernal, cuando el suelo se encuentra saturado, los ensayos de simulación de lluvias aplicados en la actual investigación, tendiente a encontrar la relación entre la intensidad de la lluvia y el coeficiente de escorrentía, se acercan a las condiciones reales si se prehumedece el suelo hasta saturarlo. El comportamiento hidrológico de la parcela, caracterizado por el coeficiente de escorrentía, depende de la intensidad de la lluvia. Al estar el suelo inicialmente saturado, es de esperarse que durante un ensayo particular, el coeficiente de escorrentía permanezca constante, siempre y cuando la intensidad de la lluvia sea constante durante el tiempo que dure el ensayo. Como se verá, la intensidad de la lluvia no es constante durante un ensayo. Por tal motivo la determinación de la relación entre la intensidad de la lluvia y el coeficiente de escorrentía se determinó teniendo en cuenta los valores promedios por ensayos y no los obtenidos cada cinco minutos. Se puede extrapolar datos obtenidos en unas zonas homogéneas en otras siguiendo criterios tales como: a) los cultivos presentan un coeficiente de escorrentía con valores intermedios entre los obtenidos en pastos y en suelos desnudos, debido a que en su mayoría los cultivos poseen partes del suelo protegidas por la especie vegetal que se está cultivando y partes del suelo que se encuentran desnudas. b) Una zona homogénea que comparta el mismo uso del suelo y la misma formación superficial que otra, presenta un coeficiente de escorrentía mayor en cuanto su pendiente sea mayor.

6.5.1 Comportamiento del coeficiente de escorrentía durante un ensayo. Teniendo en cuenta la naturaleza de los ensayos de simulación de lluvia, caracterizados por el control que se tenía sobre la intensidad de la lluvia, era de esperarse que el coeficiente de escorrentía se presentara constante durante todo un ensayo. Las siguientes tablas y figuras tomadas de varios ensayos particulares en diferentes sitios, muestran como durante un ensayo la intensidad de la lluvia no permanecía constante y por consiguiente el coeficiente de escorrentía derivado de la intensidad tampoco presentaba un comportamiento constante. La variabilidad en la intensidad durante un ensayo, se debe a cambios de presión debidos principalmente a corrientes de aíre que desestabilizan la presión en la entrada del tubo de Mariotte. Las tablas y figuras muestran además que la tendencia de cada ensayo si presenta una correspondencia entre la intensidad de la lluvia y el coeficiente de escorrentía, por lo cual es posible encontrar una relación entre estos dos parámetros.



87

Tabla 18. Lecturas de campo y resultados del ensayo 12.


Tiempo

(min.seg)

Volumen lluvia

disponible (ml)

Volumen recogido

Escorrentía (ml)


Cambio (mm/hr)

Acumulada (mm/hr)

Cambio (mm/hr)

Acumulada (mm/hr)

Cambio Acumulado

0 1000 75

5 960 82 24 24 4.2 4.2 0.175 0.175

10 920 90 24 24 4.8 4.5 0.2 0.1875

15 885 95 21 23 3 4 0.142857143 0.173913043

20 850 103 21 22.5 4.8 4.2 0.228571429 0.186666667

25 815 108 21 22.2 3 3.96 0.142857143 0.178378378

30 780 115 21 22 4.2 4 0.2 0.181818182

35 745 120 21 21.85714286 3 3.857142857 0.142857143 0.176470588

40 710 125 21 21.75 3 3.75 0.142857143 0.172413793

45 670 135 24 22 6 4 0.25 0.181818182

50 630 142 24 22.2 4.2 4.02 0.175 0.181081081

55 580 155 30 22.90909091 7.8 4.363636364 0.26 0.19047619

60 538 162 25.2 23.1 4.2 4.35 0.166666667 0.188311688

65 490 170 28.8 23.53846154 4.8 4.384615385 0.166666667 0.18627451

70 447 180 25.8 23.7 6 4.5 0.23255814 0.189873418

75 400 188 28.2 24 4.8 4.52 0.170212766 0.188333333




88



Tiempo

(min.seg)

Volumen Lluvia

disponible (ml)

Volumen recogido

escorrentía (ml)


Cambio (mm/hr)

Acumulada (mm/hr)

Cambio (mm/hr)

Acumulada (mm/hr)

Cambio Acumulado

0 1000 95

5 920 120 48 48 15 15 0.3125 0.3125

10 830 145 54 51 15 15 0.277777778 0.294117647

15 740 165 54 52 12 14 0.222222222 0.269230769

20 650 185 54 52.5 12 13.5 0.222222222 0.257142857

25 560 212 54 52.8 16.2 14.04 0.3 0.265909091

30 470 235 54 53 13.8 14 0.255555556 0.264150943

35 410 257 36 50.57142857 13.2 13.88571429 0.366666667 0.274576271

40 330 280 48 50.25 13.8 13.875 0.2875 0.276119403

42.3 290 290 48 50.11764706 12 13.76470588 0.25 0.274647887




89



Tiempo

(min.seg)

Volumen Lluvia

disponible (ml)

Volumen recogido

escorrentía (ml)


Cambio (mm/hr)

Acumulada (mm/hr)

Cambio (mm/hr)

Acumulada (mm/hr)

Cambio Acumulado

0 1000 90

5 940 127 36 36 22.2 22.2 0.616666667 0.616666667

10 880 163 36 36 21.6 21.9 0.6 0.608333333

15 840 195 24 32 19.2 21 0.8 0.65625

20 800 225 24 30 18 20.25 0.75 0.675

25 750 257 30 30 19.2 20.04 0.64 0.668

30 700 285 30 30 16.8 19.5 0.56 0.65

35 660 310 24 29.14285714 15 18.85714286 0.625 0.647058824

40 615 340 27 28.875 18 18.75 0.666666667 0.649350649

45 575 370 24 28.33333333 18 18.66666667 0.75 0.658823529

50 540 395 21 27.6 15 18.3 0.714285714 0.663043478




90



Tiempo

(min.seg)

Volumen Lluvia

disponible (ml)

Volumen recogido

escorrentia (ml)


Cambio (mm/hr)

Acumulada (mm/hr)

Cambio (mm/hr)

Acumulada (mm/hr)

Cambio Acumulado

0 1000 68

5 920 85 48 48 10.2 10.2 0.2125 0.2125

10 840 100 48 48 9 9.6 0.1875 0.2

15 760 115 48 48 9 9.4 0.1875 0.195833333

20 690 125 42 46.5 6 8.55 0.142857143 0.183870968

25 615 140 45 46.2 9 8.64 0.2 0.187012987

30 540 150 45 46 6 8.2 0.133333333 0.17826087

35 470 155 42 45.42857143 3 7.457142857 0.071428571 0.164150943

40 400 170 42 45 9 7.65 0.214285714 0.17

45 330 180 42 44.66666667 6 7.466666667 0.142857143 0.167164179

50 265 195 39 44.1 9 7.62 0.230769231 0.172789116

55 195 205 42 43.90909091 6 7.472727273 0.142857143 0.170186335

60 130 215 39 43.5 6 7.35 0.153846154 0.168965517




91

6.5.2 Intensidad vs Coeficiente de Escorrentía. Teniendo en cuenta la variabilidad de la intensidad de la lluvia aplicada y el coeficiente de escorrentía encontrado, debido a la naturaleza del ensayo, la relación entre la intensidad y el C en cada celda perteneciente a una zona homogénea, se determina a partir de los valores promedios de dicha relación obtenidos por cada ensayo. Siguiendo este procedimiento se ignoran los cambios de dichos parámetros durante un ensayo particular, reseñados en el numeral anterior, y de cada ensayo se obtiene un único par de valores que se utiliza en el análisis de relación entre los parámetros. En cuanto a la relación entre la intensidad de una lluvia y el coeficiente de escorrentía, se esperaba encontrar una relación directa, esto es, a mayor intensidad mayor coeficiente de escorrentía. Como se verá, no siempre esta relación se cumplió. Se intuye que estos resultados anómalos se deben a errores propios de la naturaleza del ensayo de simulación de lluvias, los cuales se especifican en el numeral 6.3. En las zonas homogéneas en las cuales se presentó este comportamiento, se determinó el coeficiente de escorrentía constante e independiente de la intensidad. En cada sitio se efectuaron varios ensayos de simulación de lluvia y de cada ensayo se obtuvo un punto que relaciona la intensidad de lluvia con el coeficiente de escorrentía asociado. Se construyó una gráfica por sitio en la cual se presenta la línea de correlación con su correspondiente coeficiente de correlación. Cuando el coeficiente de correlación es igual a 1, entonces todos los puntos a partir de los cuales se construye la línea pertenecen a ella. Para hacer la correlación entre la Intensidad y los datos de Coeficiente de Escorrentía se hicieron regresiones lineales y logarítmicas para cada sitio; éstas se compararon y se escogió el tipo de regresión que presentó un coeficiente de correlación mayor, que indica que ese tipo de regresión representa mejor la relación existente entre los datos. En la tabla 22 se puede observar las ecuaciones resultantes de las regresiones lineal y logarítmica para cada sitio y su coeficiente de correlación R2. Tabla 22. Ecuaciones de regresión del Coeficiente de escorrentía en función de la Intensidad y comparación de los coeficientes de correlación para cada sitio. Con amarillo se señala la ecuación de regresión escogida para cada sitio.

Sitio Código

ZH

Regresión lineal Regresión logarítmica

Ecuación R2 Ecuación R2

1 201008 C = 0.0049 I - 0.2108 0.75 C = 0.237 ln I - 0.8914 0.69

2 201008 C = 0.0013 I + 0.067 0.82 C = 0.0503 ln I - 0.0541 0.66

3 203008 C = 0.0025 I + 0.0696 0.76 C = 0.1118 ln I - 0.2266 0.81

4 202008 C = -0.0007 I + 0.1369 0.43 C = -0.0448 ln I + 0.2767 0.43

7 202014 C = 0.0135 I - 0.4049 0.99 C = 0.7394 ln I - 2.6159 0.98

8 202006 C = -0.0063 I + 0.5147 0.47 C = -0.2662 ln I + 1.2437 0.46

9 201015 C = -0.0066 I + 0.2639 0.19 C = -0.142 ln I + 0.5569 0.21

10 202015 C = 0.0002 I + 0.2236 0.00 C = 0.0274 ln I + 0.1284 0.01

11 201005 C = 0.0073 I - 0.0675 0.97 C = 0.2554 ln I - 0.6522 0.86

12 204008 C = 0.0018 I + 0.113 0.07 C = 0.1044 ln I - 0.1921 0.15

13 203015 C = 0.0035 I + 0.3792 0.48 C = 0.2084 ln I - 0.2448 0.65

14 203006 C = 0.0126 I + 0.2729 0.63 C = 0.3051 ln I - 0.3759 0.73



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Sitio Código

ZH

Regresión lineal Regresión logarítmica

Ecuación R2 Ecuación R2

15 201006 C = 0.0061 I + 0.0807 0.81 C = 0.3272 ln I - 0.8785 0.81

16 203005 C = 0.004 I + 0.3002 0.78 C = 0.2748 ln I - 0.5868 0.77

17 201005 C = 0.0065 I - 0.0875 0.89 C = 0.4534 ln I - 1.5544 0.88

18 201006 C = 0.0008 I + 0.8632 0.54 C = 0.0567 ln I + 0.6781 0.56

19 201006 C = -0.0031 I + 0.6577 0.01 C = -0.2773 ln I + 1.6197 0.02

20 202002 C = 0.0038 I + 0.6669 0.67 C = 0.1942 ln I + 0.1088 0.67

21 201014 C = 0.0066 I - 0.1116 0.69 C = 0.4093 ln I - 1.3674 0.76

22 201014 C = 0.0018 I + 0.123 0.71 C = 0.0986 ln I + 0.5498 0.70

23 104009 C = 2E-0.5 I + 0.0526 0.000 C = -0.0052 ln I + 0.0766 0.001

24 502008 C = 0.0143 I - 0.2645 0.84 C = 0.4281 ln I - 1.2655 0.82

25 101006 C = -0.0002 I + 0.0877 0.001 C = -0.0126 ln I + 0.1298 0.002

Cuando el coeficiente de correlación, R2, es muy bajo, como en los sitios 9, 10, 12, 19, 23 y 25, indica que no existe relación entre los datos de Coeficiente de Escorrentía e Intensidad de la lluvia simulada. En estos casos la ecuación de regresión tiende a ser una línea recta, o casi recta, paralela al eje x, lo que indica que el coeficiente de escorrentía tiende en esos sitios a un valor constante independiente de la intensidad de la lluvia simulada. A continuación se presentan las gráficas que relacionan las intensidades de lluvia y el coeficiente de escorrentía por sitio. Sitio 01: Fecha de los ensayos: Febrero 9 de 2001. Localización: Divisoria de aguas entre las cuencas de la Picacha y Doña María (Carretera Aguas Frías- San Antonio de Prado. Anotaciones del lugar: Pastos sobre saprolito del Stock de Altavista, pendiente 0o. Código de la zona homogénea: 201008




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Sitio 02: Fecha de los ensayos: Febrero 12 de 2001. Localización: Divisoria de aguas entre las cuencas de la Picacha y Altavista (Carretera Aguas Frías – San Antonio de Prado. Anotaciones del lugar: Pastos sobre saprolito del Stock de Altavista, pendiente 0o. Código de la zona homogénea: 201008.

Figura 52. Relación entre la Intensidad de la lluvia y el Coeficiente de Escorrentía en el sitio 02. Sitio 03. Fecha de los ensayos: Febrero 14 de 2001. Localización: Divisoria de aguas entre las cuencas de la Picacha y Altavista (Carretera Aguas Frías - San Antonio de Prado). Anotaciones del lugar: Pastos sobre saprolito del Stock de Altavista, pendiente de 22o a 26o

Código de la zona homogénea: 203008




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Sitio 04: Fecha de los ensayos: Febrero 16 de 2001. Localización: Divisoria de aguas entre las cuencas de la Picacha y Altavista (Carretera Aguas Frías - San Antonio de Prado) Anotaciones del lugar: Pastos sobre saprolito del Stock de Altavista, pendiente de 15o

Código de la zona homogénea: 202008

Figura 54. Relación entre la Intensidad de la lluvia y el Coeficiente de Escorrentía en el sitio 04. Sitio 07: Fecha de los ensayos: Febrero 21 de 2001. Localización: Barrio Pajarito, cerca de la escuela Alfonso Upegui Orozco. Anotaciones del lugar: Pastos sobre suelo residual de depósito de flujo de lodos y escombros, pendiente de 16o. Código de la zona homogénea: 202014




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Sitio 08. Fecha de los ensayos: Febrero 23 de 2001 Localización: Margen norte de la carretera a San Pedro, un km arriba de las partidas (500 metros antes del peaje) Anotaciones del lugar: Pastos sobre suelo residual de Anfibolita, pendiente de 15o. Código de la zona homogénea: 202006

Figura 56. Relación entre la Intensidad de la lluvia y el Coeficiente de Escorrentía en el sitio 08. Sitio 09. Fecha de los ensayos: Febrero 27 de 2001. Localización: Vía a San Pedro, frente a la escuela Santa Angela. Anotaciones del lugar: Pastos sobre depósito coluvial, pendiente de 8o. Código de la zona homogénea: 201015




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Sitio 10. Fecha de los ensayos: Febrero 28 de 2001. Localización: Vía a San Pedro, frente a la escuela Santa Angela. Anotaciones del lugar: Pastos sobre depósito coluvial, pendiente de 16o. Código de la zona homogénea: 202015

Figura 58. Relación entre la Intensidad de la lluvia y el Coeficiente de Escorrentía en el sitio 10. Sitio 11. Fecha de los ensayos: Marzo 02 de 2001 Localización: Santa Elena, vereda El Plan Anotaciones del lugar: Pastos sobre suelo derivado de cenizas volcánicas, pendiente de 8o. Código de la zona homogénea: 201019




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Sitio 12. Fecha de los ensayos: Marzo 05 de 2001 Localización: Divisoria de aguas entre las cuencas de la Picacha y Altavista (Carretera Aguas Frías - San Antonio de Prado) Anotaciones del lugar: Pastos sobre saprolito del Stock de Altavista, pendiente de 35o. Código de la zona homogénea: 204008

Figura 60. Relación entre la Intensidad de la lluvia y el Coeficiente de Escorrentía en el sitio 12. Sitio 13. Fecha de los ensayos: Marzo 07 de 2001. Localización: Barrio Pajarito, cerca de la escuela Alfonso Upegui Orozco y al tanque de EEPPM. Anotaciones del lugar: Pastos sobre suelo residual de depósito de flujo de lodos y escombros, pendiente de 25o. Código de la zona homogénea: 203015




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Sitio 14. Fecha de los ensayos: Marzo 09 de 2001. Localización: Vereda Yolombó, entrada a la derecha 1 km después de las partidas para San Pedro. Anotaciones del lugar: Pastos sobre suelo residual de anfibolita, pendiente de 25o. Código de la zona homogénea: 203006

Figura 62. Relación entre la Intensidad de la lluvia y el Coeficiente de Escorrentía en el sitio 14. Sitio 15. Fecha de los ensayos: Marzo 12 de 2001. Localización: Santa Elena, Vía a Piedras Blancas. Anotaciones del lugar: Pastos sobre suelo derivado de cenizas volcánicas, pendiente de 8o. Código de la zona homogénea: 201006




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Sitio 16. Fecha de los ensayos: Marzo 14 de 2001. Localización: Cuenca Santa Elena, via a Santa Elena en el estadero el Pingüino, carretera al occidente. Cien metros antes de la entrada a Hogares Claret. Anotaciones del lugar: Pastos sobre suelo residual de Dunita, pendiente de 23o. Código de la zona homogénea: 203005

Figura 64. Relación entre la Intensidad de la lluvia y el Coeficiente de Escorrentía en el sitio 16. Sitio 17. Fecha de los ensayos: Marzo 16 de 2001. Localización: Corregimiento Santa Elena, vereda El Plan, al frente de la finca El Palmar. Anotaciones del lugar: Pastos sobre suelo derivado de ceniza volcánica, pendiente de 10o. Código de la zona homogénea: 201019.




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Sitio 18. Fecha de los ensayos: Marzo 20 de 2001. Localización: Vía a Piedras Blancas, corregimiento de Santa Elena. 20 metros después de la tienda Pescadero. Anotaciones del lugar: Pastos sobre derivado de cenizas volcánicas, pendiente de 10o. Código de la zona homogénea: 201019.

Figura 66. Relación entre la Intensidad de la lluvia y el Coeficiente de Escorrentía en el sitio 18. Sitio 19. Fecha de los ensayos: Marzo 23 de 2001. Localización: Vía a Boquerón, Vereda San José de la Montaña, 30 metros arriba del estadero Manantiales. Anotaciones del lugar: Pastos en suelo residual de Anfibolita, pendiente de 8o. Código de la zona homogénea: 201006




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Sitio 20. Fecha de los ensayos: Marzo 26 de 2001. Localización: Vereda La Montañita, Corregimiento de San Antonio de Prado. Anotaciones del lugar: Pastos sobre suelo residual de Gabro de Romeral, pendiente de 18o. Código de la zona homogénea: 202002

Figura 68. Relación entre la Intensidad de la lluvia y el Coeficiente de Escorrentía en el sitio 20. Sitio 21. Fecha de los ensayos: Marzo 27 de 2001. Localización: Vereda La Verde, Corregimiento de San Antonio de Prado, al oriente de la finca Hiesen y Ofelia. Anotaciones del lugar: Pastos y árboles - pinos y eucaliptos cada 10 metros aprox.- (uso silvopastoril) sobre suelo residual derivado de depósito de flujo, pendiente de 8o. Código de la zona homogénea: 201014.




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Sitio 22. Fecha de los ensayos: Marzo 29 de 2001. Localización: Vereda La Verde, Sector los Tanques, costado sur de la finca Hiesen y Ofelia, Corregimiento de San Antonio de Prado. Anotaciones del lugar: Pastos sobre suelo residual derivado de depósito de flujo, pendiente de 8o. Código de la zona homogénea: 201014.

Figura 70. Relación entre la Intensidad de la lluvia y el Coeficiente de Escorrentía en el sitio 22. Sitio 23. Fecha de los ensayos: 2 de abril de 2001. Localización: Vereda Yarumalito (por la finca Hoyo Rico), San Antonio de Prado. Anotaciones del lugar: Bosque de pino pátula sobre suelo residual de esquistos, pendiente 32o. Código de la zona homogénea: 104009.




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Sitio 24. Fecha de los ensayos: 3 de abril de 2001 Localización: Corregimiento de Altavista. Anotaciones del lugar: Suelo desnudo en Stock de Altavista, pendiente 18o. Código de la zona homogénea: 502008

Figura 72. Relación entre la Intensidad de la lluvia y el Coeficiente de Escorrentía en el sitio 24. Sitio 25. Fecha de los ensayos: 5 de abril de 2001. Localización: Cruce vía al parque Piedras Blancas y la quebrada Piedras Blancas, cien metros aguas abajo de la quebrada, 20 m margen izquierda. Anotaciones del lugar: Bosque muy húmedo natural sobre ceniza volcánica (anfibolita), pendiente de 10o. Arboles entre 10 y 12 metros de alto, varios doseles, mucha hojarasca. Código de la zona homogénea: 101019.




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6.6 Criterios de extrapolación a otras zonas homogéneas. Las zonas homogéneas que se tuvieron en cuenta para los ensayos fueron las que representaban mayor proporción areal en las cuencas de estudio, tal como se menciona en el numeral 5.3. En las otras zonas homogéneas que se encuentran sobre pastos y cultivos se determinó el coeficiente de escorrentía partiendo de dos criterios de extrapolación: Los cultivos presentan un coeficiente de escorrentía con valores intermedios entre los obtenidos en pastos y en suelos desnudos, debido a que en su mayoría los cultivos poseen partes del suelo protegidas por la especie vegetal que se está cultivando y partes del suelo que se encuentran desnudas. Una zona homogénea que comparta el mismo uso del suelo y la misma formación superficial que otra, presenta un coeficiente de escorrentía mayor en cuanto su pendiente sea mayor. Teniendo en cuenta estos criterios y utilizando las líneas de tendencia obtenidas en el análisis de relación entre la intensidad de la lluvia y el coeficiente de escorrentía se obtuvo así los coeficientes de escorrentía para cada zona homogénea derivado de una lluvia con intensidad conocida. Para obtener los valores del coeficiente de escorrentía se conservó la pendiente de las líneas y se varió el intercepto, construyendo una nueva curva paralela a la anterior. Para las zonas homogéneas que se encuentran sin cobertura vegetal (suelo desnudo) se utilizó la misma línea de tendencia obtenida en el ensayo efectuado en el Stock de Altavista, cambiando sólo el intercepto. En las zonas homogéneas que se encuentran bajo bosque se asignó un coeficiente de escorrentía que varía entre 0.01 y 0.06 de acuerdo con los resultados obtenidos en el sitio 25 y los coeficientes de escorrentía reportados en la investigación que actualmente se adelanta en el Alto de San Miguel (comunicación oral con Pedro de Greiff). Para las zonas que se encuentran en uso urbano se determinó un coeficiente de escorrentía variando entre 0.85 y 0.95. Esta variación está asociada al período de retorno de las lluvias.

6.7 Manejo de resultados en el Sistema de Información Geográfica. Los resultados obtenidos hasta el momento son líneas de tendencia que relacionan la intensidad de una lluvia con el coeficiente de escorrentía para cada una de las zonas homogéneas que posee cada cuenca. Además se tienen intensidades de lluvia tomadas de curvas de intensidad – duración – frecuencia de estaciones ubicadas en la zona de estudio. Anteriormente se definieron las estaciones pluviográficas foco de cada cuenca. La integración de estos parámetros en el sistema de información geográfica, tendiente a generar mapas con coeficiente de escorrentía espacializados para diferentes períodos de retorno se logra siguiendo estos pasos:



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Se definen las intensidades de las lluvias para cada cuenca de acuerdo con los diferentes períodos de retorno y el tiempo de concentración de la misma (teniendo en cuenta las curvas I-D-F de la estación foco de la cuenca). Se construyen una tabla en Excel con las zonas homogéneas para cada cuenca en la cual se diseña una rutina de cálculo con la fórmula de la línea de tendencia cuyo parámetro es la intensidad para cada período de retorno. El resultado de la rutina de cálculo es el coeficiente de escorrentía asociado a cada período de retorno para cada zona homogénea. Se construye una nueva tabla para cada período de retorno y se guarda como archivo de texto. Dicha tabla contiene para cada zona homogénea un valor correspondiente al coeficiente de escorrentía relacionado con la intensidad de la lluvia de acuerdo con el período de retorno de la misma. Se reclasifica la matriz que contiene las zonas homogéneas, asignándole a cada celda el valor del coeficiente de escorrentía para cada lluvia. Este paso se desarrolla en el SIG ArcInfo. Es así como se obtienen los mapas de coeficiente de escorrentía espacializados para cada cuenca. Cabe anotar que para cada período de retorno se obtiene un único mapa. Estos mapas se pueden leer como mapas de zonas generadoras de escorrentía, ya que presentan las zonas con mayor o menor coeficiente de escorrentía en cada cuenca para una lluvia generalizada sobre la misma. En la figura 74 se presenta el mapa de zonas generadoras de escorrentía para la cuenca de la quebrada La Castro, el cual corresponde al mapa de coeficientes de escorrentía para un periodo de retorno de 100 años. En los anexos se presentan los mapas de zonas generadoras de escorrentía para el resto de cuencas del estudio.



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Figura 74. Mapa de zonas generadoras de escorrentía para la cuenca de la quebrada La Castro.



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7 Análisis Hidrológico El objeto de este capítulo es detallar la manera como se calcularon los caudales máximos instantáneos producidos por lluvias críticas, determinadas por análisis de Intensidad – Duración – Frecuencia de estaciones ubicadas en la zona de estudio. Se parte del supuesto que lluvias críticas generan caudales máximos. Además de la obtención de caudales máximos instantáneos siguiendo el modelo diseñado en la actual investigación, se aplicaron modelos hidrológicos agregados con amplia utilización en nuestro medio para poder comparar los resultados obtenidos. Por último se comparan los resultados con los publicados en diversos trabajos y tesis en donde se presentan caudales máximos en la desembocadura de las quebradas. La metodología presentada en este trabajo es el primer paso hacia el estudio detallado del comportamiento hidrológico y geomorfológico de las quebradas seleccionadas para el estudio, ya que se debe tender hacia la utilización de modelos hidrológicos distribuidos en los que se tenga en cuenta de la distribución espacial de las diferentes variables ambientales involucradas en el proceso de precipitación - escorrentía. Dadas las suposiciones que se tuvieron en cuenta para la elaboración del modelo, con respecto a la distribución espacio - temporal de las lluvias máximas y a la relación precipitación - escorrentía; el modelo hidrológico presentado a continuación es apenas una aproximación hacia la determinación de los caudales máximos en las quebradas del estudio y en ningún caso debe verse como un método hidrológico validado con información hidrometeorológica y que pueda aplicarse con alto grado de confianza en el Valle de Aburrá.

7.1 Descripción del modelo hidrológico aplicado.

Conocida la relación entre una lluvia y la escorrentía que se genera para cada celda que compone una zona homogénea en particular y teniendo para cada cuenca el modelo de elevación digital, se aplican funciones de flujo propias del SIG ArcInfo para determinar primero la dirección de flujo para cada celda del modelo y luego la acumulación de flujo en cada celda. Si se supone una lluvia con intensidad constante durante un tiempo igual al tiempo de concentración de la cuenca, la matriz de acumulación de flujo representa para cada celda el caudal generado por dicha lluvia. En la investigación actual se tuvieron en cuenta las lluvias extremas de acuerdo con curvas de Intensidad – Duración – Frecuencia de estaciones con registros históricos en la zona de estudio, definiendo una estación foco para cada cuenca y suponiendo que la lluvia presentaba una distribución espacial homogénea. El coeficiente de escorrentía se determinó a partir de ensayos de campo con la utilización de un simulador de lluvias portátil.

Determinación del caudal de salida para cada celda de un Modelo de Elevación Digital.

Para conocer el caudal que produce cada celda en una lluvia en particular se aplica el método racional para cada celda multiplicando la matriz que contiene los coeficientes de escorrentía por la matriz que contiene los valores de intensidad de lluvia. Es necesario además multiplicar este resultado por el área de cada celda.



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La fórmula del método racional es:

Qsal = C * I * A

Donde Qsal: Caudal de salida para cada celda C: Coeficiente de Escorrentía I: Intensidad de lluvia A: Área de celda En el caso de la actual investigación los valores de intensidad de lluvia se encuentran en mm/hr, el área de la cuenca en m2 y el coeficiente de escorrentía es un valor adimensional. El C se presenta en porcentaje de escorrentía, esto es, con valores enteros entre 0 y 100, para facilitar el manejo de unidades y para evitar que se pierda precisión al trabajar los cálculos con menos cifras decimales. Para hallar el caudal de salida para cada celda en m3/s es necesario encontrar un factor de conversión de unidades, que se calcula a continuación.

Qsal [m3/s] = (C / 100) * A [m2] * I [mm/hr] * 1/1000 [m/mm] * 1/3600 [hr/s]

Cancelando unidades se obtiene:

Qsal [m3/s] = (C * A * I ) / 360000000

En notación del módulo Grid del sistema ArcInfo, la sintaxis del comando para la multiplicación de matrices que representa la multiplicación es:

Grid: gqs_cu = 25 * gce_cu * gitr_cu / 36000000 Donde gqs_cu : matriz que tiene los valores de caudal de salida para cada celda. gce_cu: matriz con los coeficientes de escorrentía para cada celda. gtr_cu: matriz con los valores de intensidad de lluvia para cada celda. Cabe anotar que cada lluvia analizada corresponde a una lluvia crítica determinada por curvas IDF. Los coeficientes de escorrentía se encuentran relacionados con la intensidad de cada lluvia de acuerdo con el análisis reseñado en el capítulo anterior. Es así como cada lluvia con un período de retorno específico, presenta una matriz diferente de intensidad de lluvia y de coeficiente de escorrentía.

Determinación del caudal acumulado para cada celda de un Modelo de Elevación Digital.

Conocido el caudal de salida de cada celda producido por una lluvia en particular se procede a calcular el caudal acumulado en cada celda, que siguiendo unas suposiciones hidrológicas, representa el caudal máximo instantáneo producido por dicha lluvia. Estas suposiciones son:

La duración de la lluvia debe ser igual o mayor al tiempo de concentración de la celda analizada. Esto se logra al modelar una lluvia igual al tiempo de concentración de la desembocadura de la cuenca.

El coeficiente de escorrentía corresponde al relacionado con la intensidad de la lluvia.

El caudal máximo instantáneo corresponde al generado por una lluvia máxima.



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Aplicando la función flowaccumulation del módulo grid del sistema ArcInfo a la matriz que representa el caudal de salida de cada celda se obtiene el caudal máximo instantáneo para cada celda, la notación es:

Grid: gqa_cu = flowaccumulation (gfd_cu, gqs_cu)

Donde gfd_cu: matriz de dirección de flujo superficial para cada celda. gqs_cu: matriz que tiene los valores de caudal de salida para cada celda.

gqa_cu: matriz con los valores de caudal acumulado para cada celda. Tomando los valores de caudal en la celda correspondiente al punto de intersección de una sección transversal a la quebrada con la línea que representa la quebrada se obtiene el caudal máximo instantáneo. Los parámetros hidrológicos necesarios son el tiempo de concentración de las cuencas, la intensidad de la lluvia y el coeficiente de escorrentía. A continuación se explica la obtención de los tiempos de concentración y las intensidades de las lluvias.

7.2 Cálculo del tiempo de concentración para las cuencas.

El tiempo de concentración se ha definido como el tiempo que tarda una gota de agua en llegar desde el punto más alejado de la cuenca al sitio de interés (Smith et al., 1997). Éste es uno de los factores más importantes en el cálculo de caudales con base en relaciones precipitación – escorrentía, pues la duración de la lluvia crítica que posiblemente ocasionará una inundación debe suponerse igual a él, ya que para duraciones iguales al tiempo de concentración de lluvias distribuidas sobre el área de la cuenca toda la cuenca aporta al caudal en el punto analizado (desembocadura, estación hidrológica, zonas críticas, etc.) para lluvias de duraciones menores al tiempo de concentración no toda el área de la cuenca contribuye al mismo tiempo al caudal en la salida y para duraciones mayores al mismo no hay incremento en el área contribuyente sino un aumento en la duración de la inundación. Es posible entender el tiempo de concentración como el intervalo de tiempo que transcurre entre el inicio de la escorrentía y el pico de la inundación, es decir, el momento en que se alcanza el mayor caudal en la salida de la cuenca o punto de interés a partir del inicio de la escorrentía. Por lo tanto, es un factor que debe considerarse con sumo cuidado en la prevención de inundaciones, pues da una buena idea de cuánto es el tiempo transcurrido desde el comienzo de la lluvia, apenas unos minutos antes del inicio de la escorrentía, hasta que se alcanza el caudal máximo para el sitio calculado, que puede ser después de que comienza la inundación, pues es posible que el caudal máximo sobrepase por mucho la capacidad del canal y que el desborde del mismo comience antes de que se alcance el caudal máximo. Así, se tiene una idea de cuál es el tiempo máximo de respuesta posible a las inundaciones en cada cuenca en el punto considerado para su cálculo. Muchos autores han definido el tiempo de concentración con base en parámetros analíticos derivados del estudio de los hidrogramas o gráficas de Caudal vs. Tiempo durante crecidas, tales como el tiempo base y el tiempo de rezago, entre otros (Ramser y Kirpich, Viessman, 1997; Témez, 1978, citados por Smith et al., 1997). El cálculo del tiempo de concentración siguiendo este análisis es posible en cuencas instrumentadas tanto con pluviógrafos como con limnígrafos, que permitan obtener gráficas de



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precipitación y caudal en el mismo período de tiempo. En el actual estudio, esto podría ser posible si los instrumentos de medición se encontraran funcionando adecuadamente. Teniendo en cuenta su definición, resulta claro que debe existir una relación entre el tiempo de concentración y las características morfométricas de la cuenca, en la que se cumple que a mayor área, mayor tiempo de concentración; a mayor longitud del cauce, mayor tiempo de concentración; a mayor pendiente, menor tiempo de concentración, etc. En el presente trabajo se parte de la definición física del tiempo de concentración como se expuso anteriormente y se retoma el trabajo de Campo y Múnera (1997) en el que se compararon las diferentes relaciones propuestas en la literatura y se determinó cuáles de ellas se comportan mejor para el caso de las cuencas de Antioquia. Ecuaciones recomendadas. Según Campo y Múnera (1997), las relaciones entre el tiempo de concentración y los parámetros morfométricos de la cuenca que mejor resultados presentan en el caso de 43 cuencas de Antioquia, aunque fueron desarrolladas para cuencas en ambientes y climas diferentes al local, son las 4 siguientes:

Témez (1978): Tc = 0.3 * (L / So0.25)0.75,

Donde: Tc: tiempo de concentración en horas, L: Longitud del cauce principal en kilómetros, y So: Diferencia de cotas sobre L en %.

Kirpich (1990): Tc = 0.066 * (L / So)0.77, Donde: L: longitud desde la estación de aforo hasta la divisoria siguiendo el cauce principal, So: diferencia de cotas entre los puntos extremos de la corriente en m/m.

Giandiotti (1990): Tc = (4 A + 1.5L) / (25.3 LSo), Donde: A: área de la cuenca en kilómetros cuadrados, L: longitud del cauce principal en kilómetros, So: diferencia de cotas entre los puntos extremos de la corriente en m/m.

Pérez Monteagudo (1985): Tc = L / VR Donde: L: longitud de la corriente principal en kilómetros, VR: Velocidad de la onda de creciente por el cauce principal en km/hr, y:

VR = 72 * (AE/ L)0.6 Donde



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AE: diferencia de cotas en kilómetros en el cauce principal desde el punto más alto al más bajo. Los mismos autores determinaron ecuaciones de correlación entre el tiempo de concentración y los parámetros morfométricos de las cuencas con base en los valores de tiempo de concentración y tiempos de rezago hallados de registros hidrológicos de 43 cuencas del Departamento de Antioquia. Para lo anterior se dividió el Departamento en 6 zonas homogéneas. De dichas ecuaciones, cabe aplicar en este trabajo las halladas para toda Antioquia y para la zona 2: Medellín – Río Grande, que son:

Ecuación para toda Antioquia: Tc = 1.7694 * A0.325 * L-0.096 * So-0.290 ;

R = 0.662

Ecuación para la zona 2: Medellín – Río Grande:

Tc = 8.15717 * A0.316 * So-0.17 * S-0.55 ;

R = 0.934

Con estas ecuaciones se halla el tiempo de concentración de las cuencas en la desembocadura, el cual se presenta en la tabla 23. Cabe anotar que los parámetros morfométricos utilizados son los que se generaron en el análisis cartográfico. Tabla 23. Tiempos de concentración en minutos para las cuencas estudio.

Tiempos de concentración en minutos

Cuenca

Expresión usada La

Iguaná Santa Elena



Doña María

Témez (1978) 96.2 76.9 30.2 54.1 61.2 71.7 72.9 31.1 34.7 130.1

Kirpich (1990) 93.9 68.3 22.9 45.3 52.6 64.0 68.0 25.1 27.9 125.2

Giandiotti (1990) 116.7 97.1 37.1 72.5 61.6 71.1 83.8 30.6 36.5 135.5

Pérez Monteagudo (1985)

61.9 42.0 9.1 23.5 29.3 38.9 42.9 10.2 12.0 97.1

Ecn para toda Antioquia

165.8 144.9 61.5 113.8 88.3 96.9 112.2 44.3 54.7 186.5

Ecn para la zona 2: Medellín – Río Grande

161.8 156.2 57.3 118.0 81.8 103.6 113.3 55.5 70.8 181.5

Promedio aritmético 116.0 97.6 36.3 71.2 62.5 74.4 82.2 32.8 39.4 142.6

Promedio aritmético desechando valores

extremos 117.2 96.8 36.9 71.4 64.3 75.9 84.2 32.8 38.4 143.1

El tiempo de concentración de cada cuenca se obtuvo desechando los valores extremos y calculando el promedio aritmético de los demás tiempos de concentración.

7.3 Definición de lluvias.

Calculado el tiempo de concentración de cada cuenca, se requería encontrar la intensidad de la lluvia a modelar. Las lluvias que se modelaron surgieron de análisis de Intensidad – Duración – Frecuencia efectuados por Empresas Públicas de Medellín en estaciones con registros pluviográficos representativos (datos de más de treinta años).



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Para la determinación de la intensidad de los aguaceros de duración crítica en las cuencas de las quebradas del estudio, se tiene información de las estaciones pluviográficas San Cristóbal, Villa Hermosa, San Antonio de Prado, Vasconia y Miguel de Aguinaga de EEPPM y Aeropuerto Olaya Herrera de IDEAM, a las cuales ya se les ha hecho el análisis de Intensidad – Frecuencia – Duración por parte de las Empresas Públicas de Medellín y cuyas curvas IDF fueron publicadas en su Anuario Hidrometeorológico de 1990. Al hacer el análisis para la construcción de dichas curvas, se tuvo en cuenta los aguaceros cortos, de aproximadamente 20 minutos, ya que éstos se habían reconocido como los eventos más peligrosos en cuanto a inundaciones (comunicación oral de Jaime Trujillo, 2000) y esto se ve reflejado en la forma de presentación de los datos de las curvas IDF, pues se considera el tiempo sólo hasta 20 minutos. Al hacer esto se está suponiendo que las estaciones mencionadas son representativas de toda el área de las cuencas en cuestión, lo cual se aleja un poco de la realidad y es una fuente de error en los cálculos que se deriven de estos datos. El conocimiento del comportamiento meteorológico e hidrológico de cada cuenca se mejorará a medida que los instrumentos instalados por el SIMPAD produzcan series de datos continuas y confiables sobre la lluvia en las cuencas y el caudal de las quebradas. La ecuación que representa las curvas para estas estaciones es de la forma:

I = C / (h + Tc)m

Donde: C ,h y m son parámetros de la ecuación, y Tc: tiempo de concentración en minutos.

Los parámetros de las ecuaciones para los diferentes periodos de retorno se presentan en la tabla 24. Las curvas IDF de cada una de las estaciones mencionadas se presentan en las figuras 75 a 80. Tabla 24. Parámetros de las ecuaciones de las curvas IDF para la estaciones ubicadas en la zona de estudio (tomado de comunicación escrita de EEPPM, Area de Hidrometría e Instrumentación, abril de 2000).

Tr San Cristóbal Villa Hermosa S. A. de Prado

C h M C h m C h m

2.33 28902,26 56 -1,38 14613,09 30 -1,33 71663.74 50 -1.57

5 6183,28 28 -1,08 7283,46 22 -1,17 21973.75 32 -1.34

10 2527,91 14 -0,90 3854,3 16 -1,01 10254.29 22 -1.19

25 3817,56 14 -0,96 3722,39 14 -0,98 11629.01 20 -1.19

50 2298,3 8 -0,84 3389,62 12 -0,94 11495.52 18 -1.18

100 4531,96 12 -0,96 3716,04 12 -0,94 10953.22 16 -1.15

Tr Miguel Aguinaga Olaya Herrera Vasconia

C h M C h m C h m

2.33 225542.8 68 -1.80 1678.78 12 -0.97 5106.01 16 -1.08

5 110951.1 60 -1.65 1434.62 10 -0.89 3669.03 10 -1.00

10 29808.52 44 -1.40 1231.6 8 -0.83 3513.09 8 -0.97

25 49046.61 48 -1.46 1057.15 6 -0.78 3878.45 6 -0.97

50 54823.82 48 -1.46 1113.7 6 -0.76 2510.39 2 -0.86

100 71315 50 -1.49 1929.04 10 -0.86 3246.98 2 -0.91



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Figura 75. Curvas I D F para la estación San Cristóbal.

Figura 76. Curvas I D F para la estación Villa Hermosa.



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Figura 77. Curvas I D F para la estación San Antonio de Prado.

Figura 78. Curvas I D F para la estación Miguel Aguinaga.



115

Figura 79. Curvas I D F para la estación Aeropuerto Olaya Herrera.

Figura 80. Curvas I D F para la estación Vasconia.



116

Para la definición de la estación foco se tuvo en cuenta la proximidad geográfica de la estación con la cuenca, en el caso en que la estación no se ubicara dentro de la cuenca y que la altura de la estación fuera lo más cercana a la altura máxima de cada cuenca, puesto que en las partes altas las lluvias fuertes son más frecuentes. Para la cuenca de la quebrada Doña María se definió la estación San Antonio de Prado como la estación foco y para la cuenca de la quebrada La Iguaná se tuvo en cuenta la estación San Cristóbal, ya que estas estaciones se encuentran ubicadas dentro de las cuencas. Las cuencas de las quebradas Altavista, La Picacha y Ana Díaz presentan a la estación de San Antonio de Prado como estación foco y La Hueso a la estación San Cristóbal. Para las cuencas de la zona suroccidental de la ciudad en donde no se ubican estaciones se tenía la posibilidad de utilizar alguna de las dos estaciones mencionadas como estación foco, al hallar las intensidades de lluvia para cada período de retorno de acuerdo con los diversos tiempos de concentración de las cuencas se observó que los resultados obtenidos eran muy similares teniendo en cuenta cualquiera de estas dos estaciones para las cuencas en cuestión, comprobando que los registros históricos de lluvias máximas para las estaciones de San Antonio de Prado y San Cristóbal son similares y pueden representar el comportamiento temporal de lluvias máximas para las cuencas de la zona suroccidental. Para las cuencas de las quebradas Minitas y Quintana se tomó como estación foco a la estación San Cristóbal. La estación de Villa Hermosa se definió como la estación foco de la cuenca de la quebrada La Castro y la estación Vasconia como la estación foco de la cuenca de la quebrada Santa Elena. En la figura 81 se observa la ubicación de las estaciones con curvas IDF y los límites de las cuencas. Definida la estación foco para cada estación y el tiempo de concentración de la misma se calcula la intensidad de la lluvia para períodos de retorno de 2.33 años, 5 años, 10 años, 25 años, 50 años y 100 años. Por último se reduce la intensidad de acuerdo con el área de la cuenca y la duración de la lluvia (tiempo de concentración de la cuenca). Para encontrar el porcentaje de reducción se tomaron las curvas área – profundidad para reducir precipitación puntual del libro de Chow, Maidment y Mays (1988). La tabla 25 muestra las intensidades de lluvia con la reducción de acuerdo con el área y la duración, las cuales fueron aplicadas en el modelo hidrológico descrito.



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Figura 81. Ubicación de estaciones con curvas IDF. Tabla 25. Intensidades de lluvia para cada cuenca con respecto a diversos períodos de retorno.

Tr Intensidad de lluvia en mm/hr para cada cuenca

Doña María

Altavista La

Picacha Ana Díaz La Hueso

La Iguaná

La Quintana

Minitas Santa Elena

La Castro

2.33 años 17.2 31.8 35.2 40.9 36.6 23.2 55.8 61.1 29.1 53.1

5 años 19.5 35.3 39.0 45.5 42.6 27.3 66.5 73.7 32.4 60.1

10 años 22.2 39.1 43.1 50.1 45.7 30.1 71.8 80.2 35.4 66.5

25 años 24.9 44.3 48.9 57.0 52.5 33.5 84.8 95.4 40.3 76.5

50 años 26.9 48.0 53.1 61.9 58.4 38.6 92.7 104.2 45.0 83.5

100 años 29.0 51.6 57.0 66.6 63.8 40.3 104.4 118.1 46.8 91.3

7.4 Caudales generados a partir del método racional distribuido.

Con la aplicación de la función flowaccumulation se obtuvo el valor de caudal para cada celda perteneciente a los modelos de elevación digital de cada cuenca, tal como se reseño anteriormente. Se seleccionaron secciones transversales a las quebradas en



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zonas que pudieran presentar riesgos de inundación, ubicadas en zonas bajas con la presencia de llanuras de inundación y de depósitos aluvio – torrenciales. Para cada sección se definió la celda que surge de la intersección de la sección transversal y el curso de la quebrada y se extrajo el valor de caudal de dicha celda de la matriz de acumulación. Posteriormente se efectuó el análisis hidráulico de cada quebrada con la utilización del programa HEC-RAS, el cual se explica en el próximo capítulo. En las figuras 82 – 87 se muestra la localización de las secciones transversales a las cuales se les determinó el caudal generado por las lluvias máximas con diferentes períodos de retorno. La tabla 26 presenta los valores de caudal máximo instantáneo obtenidos siguiendo el método desarrollado en la actual investigación para las secciones transversales ubicadas en los puntos más bajos de las cuencas, que en la mayor parte de las quebradas coincide con la desembocadura de la misma.

Figura 82. Localización de secciones transversales en la quebrada Doña María.



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Figura 83. Localización de secciones transversales en las quebradas Altavista y La Picacha.

Figura 84. Localización de secciones transversales en las quebradas Ana Díaz y La Hueso.



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Figura 85. Localización de secciones transversales en la quebrada La Iguaná.

Figura 86. Localización de secciones transversales en las quebradas Minitas y La Quintana.



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Figura 87. Localización de secciones transversales en las quebradas Santa Elena y La Castro. Tabla 26. Caudales máximos instantáneos en los puntos más bajos de las quebradas analizadas, para diversos períodos de retorno, obtenidos siguiendo el método racional distribuido.

Tr

Caudales máximos instantáneos (m3/s) para los puntos más bajos analizados de las quebradas

Doña María

Altavista La


La Iguaná

La Quintana

Minitas Santa Elena

La Castro

2.33 años 66.49 39.51 37.85 21.90 94.43 93.98 19.83 5.79 91.30 19.69

5 años 79.62 45.02 44.42 27.33 115.39 119.14 26.12 7.70 107.31 23.87

10 años 99.88 52.52 51.41 30.71 128.01 139.59 29.49 8.53 123.59 28.31

25 años 121.56 62.36 62.18 37.08 151.43 168.24 38.12 10.98 150.61 35.04

50 años 137.65 70.95 70.31 43.65 175.66 205.16 42.75 12.70 181.13 40.38

100 años 155.34 79.90 78.84 49.84 197.85 216.30 51.17 14.95 196.62 45.40

En los trabajos publicados anteriormente se calcula el caudal máximo instantáneo para la desembocadura de las quebradas, por lo cual, solo es posible comparar los caudales calculados en las quebradas donde la sección transversal más baja coincide con la desembocadura (La Castro, Quintana, La Iguaná, La Hueso, Ana Díaz, La Picacha, Doña María). En la quebrada Santa Elena la sección transversal más baja se ubica en la entrada del box-coulvert, aguas arriba del teatro Pablo Tobón Uribe, justo cuando se canaliza para formar la avenida La Playa, en la carrera 38 entre las calles 51 y 54 (Caracas). La sección más baja de la quebrada La Minitas está ubicada en la entrada del box-coulvert en el barrio San Martín de Porres en la carrera 76 entre las calles 98 y 99. La sección



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más baja de la quebrada Altavista se encuentra ubicada en la calle 30 una cuadra aguas abajo de la carrera 65, antes de que la quebrada La Guayabala desemboque a la quebrada Altavista.

7.5 Cálculo de caudales a partir de la aplicación de modelos agregados.

Se aplicaron modelos hidrológicos agregados para definir caudales máximos instantáneos para las secciones transversales más bajas de las quebradas objeto de estudio, con el objeto de comparar los resultados obtenidos con el modelo distribuido. Se calcularon los caudales máximos instantáneos asociados a períodos de retorno de 2.33, 5, 10, 25, 50 y 100 años, por medio de métodos analíticos agregados basados en los parámetros morfométricos de las cuencas y en los datos de precipitación de estaciones pluviográficas que se encuentran dentro de ellas, para las quebradas objeto de estudio. Los datos de precipitación se tomaron de los análisis de lluvias máximas que desarrolló Empresas Públicas de Medellín y que se presentan en las curvas de Intensidad – Duración – Frecuencia de las figuras 75 a 80. Como hasta la finalización de la investigación no se produjeron datos con los instrumentos de medición adquiridos, la única otra alternativa posible fue utilizar las curvas IDF de las estaciones analizadas por las Empresas Públicas de Medellín para los análisis actuales. A partir del procesamiento de información cartográfica basado en la cartografía digital del proyecto SIGAME se generaron Modelos de Elevación Digital para cada cuenca con los cuales se obtuvo los parámetros morfométricos de las cuencas de una manera precisa. Para el cálculo de caudales máximos con base en los parámetros morfométricos de las cuencas se utilizaron cinco métodos diferentes: el método de las ecuaciones de regionalización, el método racional probabilístico, el método del índice de crecientes, el hidrograma unitario sintético del SCS y el hidrograma unitario sintético de Williams y Hann. A continuación se presenta una breve reseña de cada uno de los métodos y una comparación de los resultados obtenidos para cada una de las quebradas de estudio.

7.5.1 Método de las Ecuaciones de Regionalización de las Características Medias de Smith et al. (1997).

Este método infiere algunos aspectos de la respuesta hidrológica de una cuenca con base en las características geomorfológicas. La cuenca se ve entonces como un filtro que transforma la precipitación en escorrentía. Las características físicas de una cuenca se deben a la interacción de los procesos exógenos o morfogenéticos con la geología de la cuenca, que es un componente constante en el tiempo. A su vez, los procesos morfogenéticos están gobernados en gran medida por la disponibilidad de agua y su distribución temporal, por lo que se puede afirmar que las características morfométricas de la cuenca son en parte el resultado de la interacción entre el agua y la geología de la cuenca y por lo tanto que existe una relación determinística entre las características morfométricas de la cuenca y las variables que describen el comportamiento hidrológico de la misma (Smith et al., 1997).



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El procedimiento de regionalización de características medias relaciona las características geomorfológicas, climáticas y topográficas con las características medias de los caudales máximos instantáneos en cuencas con poca o ninguna instrumentación. Después de conocer las características medias, se pueden estimar y usar distribuciones de probabilidad de valores extremos (ej., Gumbel) para definir caudales máximos instantáneos asociados a diferentes periodos de retorno (Smith et al., 1997). El criterio utilizado para el caso de Antioquia por Smith et al. (1997) para la definición de zonas de comportamiento hidrológico similar fue el de ubicación geográfica apoyado en el mapa de isoyetas de precipitación media total multianual y el parámetro climático fue la precipitación media total multianual, que fue hallada con base en 61 estaciones pluviográficas y 23 estaciones pluviométricas del departamento de Antioquia y se utilizó el método de interpolación de Krigging para la elaboración del mapa de isoyetas. Luego se hizo ajuste a las distribuciones Gumbel y Log Normal y se encontró que se debe utilizar la distribución de Gumbel para mayor facilidad de cálculo. La ecuación de factor de frecuencia para determinar el caudal máximo instantáneo asociado a cierto periodo de retorno es la siguiente:

QTR = + K Donde: QTR : caudal máximo para un periodo de retorno TR,

: media estimada de los caudales máximos instantáneos,

: desviación estándar estimada de los caudales máximos instantáneos, y K : factor de frecuencia que depende de la distribución y del periodo de retorno. Para la distribución de Gumbel el factor de frecuencia K se estima con la siguiente ecuación:

K = - 6 * (0.5772 + Ln(Ln(TR/(TR – 1)))) / Las ecuaciones de regionalización encontradas por Smith et al. (1997) para la zona de Medellín son:

= 0.142 * A2.093 * Pe-2.239 * S1.558 ; R = 0.988

= 63.076 * L1.334 * Pr-1.605 * S2.295 ; R = 0.970 donde: A: área de la cuenca en km2, L: longitud del cauce principal en km, Pr: precipitación media total anual en mm, Pe: perímetro de la cuenca en km, y S: pendiente promedio de la cuenca en %. Usando el método de los polígonos de Thiessen, se estimó la precipitación media anual en cada cuenca, haciendo un promedio ponderado árealmente. La precipitación media anual de cada estación utilizada se presenta en la tabla 27, mientras que el estimado para



124

cada cuenca se presenta en la tabla 28. En la figura 88 se observan las estaciones con precipitación media anual tenidas en cuenta en el presente análisis, los polígonos de Thiessen formados y su área de influencia en cada una de las cuencas de estudio. Tabla 27. Precipitación promedia multianual de las estaciones utilizadas en los cálculos de caudales máximos de las quebradas del estudio (datos tomados de: EEPPM, 1990. Anuario Hidrometeorológico).

Estación Precipitación media

anual (mm)

San Antonio de Prado 2080.5

San Cristóbal 1703.0

Vasconia 2235.4

Miguel de Aguinaga 1397.4

Villa Hermosa 1526.5

Aeropuerto Olaya Herrera 1500.0

Tabla 28. Precipitación media anual en cada cuenca estimada por el método de los polígonos de Thiessen y área de influencia de cada estación en cada cuenca.

Cuenca Área de influencia de cada estación, en Km

2 Precipitación

media anual (mm) Vasconia

San Ant. De Prado

San Cristóbal

Olaya Herrera

Miguel Aguinaga

Villa Hermosa

Área total

Doña María 55.48 14.78 2.29 72.55 1985 Altavista 5.10 8.16 13.26 1723

La Picacha 1.27 3.82 4.98 0.59 10.66 1636 Ana Díaz 8.03 0.56 0.60 9.19 1673 La Hueso 10.27 0.99 11.26 1676 La Iguaná 48.45 2.70 51.15 1687

Minitas 0.20 1.08 1445 Quintana 0.84 1.59 1503

Santa Elena 17.72 0.39 21.34 39.45 1844 La Castro 4.22 4.22 1527

Teniendo en cuenta los datos de la tabla anterior y los parámetros morfométricos de cada cuenca, se hallaron las características medias de los caudales máximos instantáneos para las quebradas del estudio, en los puntos más bajos de las cuencas de drenaje consideradas en el presente estudio, según el método de las ecuaciones de regionalización de Smith et al. (1997) y los parámetros morfométricos utilizados en el cálculo, los cuales se presentan en la tabla 29. En la tabla 30 se presentan los caudales máximos asociados a los periodos de retorno de 2.33, 5, 10, 25, 50 y 100 años, calculados con las ecuaciones de regionalización propuestas por Smith et al. (1997) para los puntos más bajos de las cuencas de drenaje consideradas.



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Figura 88. Polígonos de Thiessen formados por las estaciones con precipitación media anual y su área de influencia en cada una de las cuencas. Tabla 29. Parámetros morfométricos utilizados y características medias de los caudales máximos instantáneos, según el método de las ecuaciones de regionalización de Smith et al. (1997).

Cuenca área (km

2)

perímetro (km)

Pendiente prom (%)

Longitud de la corr. Ppal. (km)

Precipitación media anual

(mm)

Media

Desviación

Estándar

Doña María 72.60 60.30 40.40 22.10 1985 36.63 97.07

Altavista 13.71 28.67 35.10 10.55 1723 4.75 32.88

Picacha 10.65 27.72 33.40 10.88 1636 2.79 33.22

Ana Díaz 9.17 26.56 44.26 9.28 1673 3.48 49.44

Hueso 22.24 30.73 36.01 8.18 1676 11.64 25.97

Iguaná 51.22 50.85 39.03 15.29 1687 24.50 71.22

Santa Elena 39.46 40.60 33.17 12.08 1844 18.24 31.04

La Castro 4.22 14.48 44.41 4.24 1527 2.68 20.29

Minitas 1.28 11.96 25.25 4.19 1445 0.14 5.97

Quintana 2.44 13.81 23.82 4.79 1503 0.36 5.86



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Tabla 30. Caudales máximos instantáneos calculados con las ecuaciones de regionalización propuestas por Smith et al. (1997).

TR (años)

Caudales máximos instantáneos, QTR (m3/s) Doña María

Altavista Picacha Ana Díaz Hueso Iguaná Minitas Quintana St Elena Castro

2.33 36.74 4.78 2.83 3.54 11.67 24.58 0.15 0.36 18.27 2.71 5 106.47 28.40 26.69 39.06 30.33 75.74 4.44 4.58 40.57 17.28 10 163.27 47.64 46.13 67.98 45.53 117.41 7.93 8.01 58.74 29.16 25 235.03 71.95 70.69 104.53 64.73 170.07 12.35 12.34 81.69 44.16 50 288.27 89.99 88.91 131.65 78.97 209.13 15.62 15.56 98.71 55.28

100 341.11 107.89 107.00 158.57 93.11 247.90 18.88 18.75 115.61 66.33

7.5.2 Método Racional Probabilístico.

El método racional fue desarrollado inicialmente por Mulvaney en 1851 y fue mejorado después por Kuicling en 1888 y por Lloyd Davis en 1906. Aunque aparentemente es muy sencillo, la aplicación del método se complica al estimar los coeficientes de escorrentía correctamente. El concepto en el que se basa el método racional es que si una lluvia con una intensidad determinada empieza en forma instantánea y continúa en forma indefinida, el aumento de escorrentía continuará hasta que llegue el tiempo de concentración, en el cual toda la cuenca está contribuyendo al caudal en la salida. La entrada de agua a la cuenca está dada por el producto del área de captación por la intensidad de la lluvia para el tiempo de concentración de la cuenca, y la relación entre ésta y el caudal pico está dada por el coeficiente de escorrentía, que es el factor que indica cuánta agua de esa que está entrando a la cuenca se convierte en escorrentía (Chow, Maidment & Mays, 1994). La fórmula general del método es:

Q = C * I * A / 3.6 Donde: Q: caudal pico en m3/s asociado a un periodo de retorno dado, TR, C: coeficiente de escorrentía I: intensidad en mm/h para TR, y un tiempo de concentración Tc, A: área de la cuenca en km2. En este método los efectos de la lluvia y del tamaño de la cuenca son considerados explícitamente y otros procesos, tales como infiltración, textura y estructura del suelo, usos, etc., son considerados implícitamente en el tiempo de concentración necesario para encontrar la intensidad de la lluvia crítica y en el coeficiente de escorrentía. No se tiene en cuenta el almacenamiento temporal ni las variaciones espacio – temporales de la lluvia, por lo que se recomienda aplicar este método a cuencas pequeñas, de menos de 50 km2. El principal obstáculo de aplicar el método racional está en la determinación o selección correcta del coeficiente de escorrentía. Un coeficiente de escorrentía igual a 1 indica que toda la lluvia se convierte en escorrentía, por ejemplo, para zonas urbanas altamente impermeables; en general, para los suelos con vegetación los coeficientes de escorrentía normalmente son menores de 0.2. En la literatura se encuentran tablas en las cuales se



127

determina el coeficiente de escorrentía con base en los usos del suelo y la pendiente del terreno. El coeficiente de escorrentía depende en realidad de las condiciones de humedad antecedente de la cuenca que a su vez depende de los aguaceros que hayan ocurrido antes (Smith et al., 1997). Schaake (1967), Pilgrim (1972) y French (1967) (citados por Smith et al., 1997) desarrollaron un método probabilístico para determinar los coeficientes de escorrentía en cuencas instrumentadas, mediante el uso de la relación:

QTR = 0.278 * CTR * ITcTR * A Donde: QTR: caudal en m3/s para un periodo de retorno TR, CTR: coeficiente de escorrentía para el mismo periodo de retorno, ITcTR: Intensidad en mm/h para el mismo periodo de retorno y un tiempo de concentración Tc, y A: área de la cuenca en km2. Cuando los coeficientes de escorrentía probabilísticos se hallan con información de buena calidad el método racional es eficiente y da estimaciones de caudales máximos con buena confiabilidad para el intervalo de áreas de las cuencas utilizadas en su derivación (Smith et al., 1997). En Antioquia se aplicó el método probabilístico utilizando la información de estaciones pluviográficas y limnigráficas de toda Antioquia y se obtuvieron mapas de isolíneas de coeficientes de escorrentía del departamento para periodos de retorno de 2.33, 5, 10, 15, 25, 50 y 100 años. De esos mapas (figuras 5.1 a 5.7 de Smith et al., 1997) se extrajeron los valores para los coeficientes de escorrentía de las cuencas de las quebradas objeto de estudio, los cuales se presentan en la tabla 31. Tabla 31. Coeficientes de escorrentía probabilísticos para las cuencas de las quebradas de estudio (tomados de las figuras 5.1 a 5.7 de Smith et al., 1997).

TR (años)

Coeficiente de escorrentía, CTR Doña María


2.33 0.135 0.135 0.135 0.135 0.135 0,13 0,13 0,13 0.12 0.12 5 0.16 0.16 0.16 0.16 0.16 0,16 0,16 0,16 0.14 0.14 10 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0,15 0,15 0,15 0.14 0.14 25 0.148 0.148 0.148 0.148 0.148 0,16 0,16 0,16 0.14 0.14 50 0.149 0.149 0.149 0.149 0.149 0,16 0,16 0,16 0.14 0.14

100 0.157 0.157 0.157 0.157 0.157 0,16 0,16 0,16 0.155 0.155

Con los coeficientes de escorrentía estimados y las intensidades presentadas en la tabla 29 se procedió a calcular los caudales máximos asociados a los mismos periodos de retorno con la ecuación del método racional probabilístico, para los puntos más bajos de las cuencas de drenaje consideradas, los cuales se presentan en la tabla 32.



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Tabla 32. Caudales máximos instantáneos calculados utilizando el método racional agregado con coeficientes de escorrentía probabilísticos.

TR (años)

Caudales máximos instantáneos, QTR, m3/s Doña María


2.33 46.86 16.36 14.07 14.08 30.55 42.95 2.83 4.92 38.31 7.48 5 62.97 21.53 18.47 18.56 42.14 62.20 4.20 7.22 49.76 9.87 10 67.21 22.35 19.14 19.16 42.38 64.29 4.28 7.31 54.37 10.92 25 74.38 24.99 21.43 21.51 48.04 73.94 5.26 8.92 61.89 12.56 50 80.89 27.26 23.42 23.51 53.80 86.29 5.82 9.87 69.11 13.71

100 91.89 30.88 26.50 26.66 61.93 91.81 6.72 11.33 79.58 16.60

7.5.3 Método de Índice de Crecientes.

En este método se extrapola información estadística de eventos de escorrentía de cuencas instrumentadas para análisis de frecuencia de crecientes a cuencas no instrumentadas cercanas que posean características hidrológicas similares. Para hallar las ecuaciones de correlación el procedimiento resumido es el siguiente:

Selección de las cuencas instrumentadas dentro de la región que tienen características similares a las cuencas no instrumentadas. Esta similitud se determina por una prueba de homogeneidad en los datos de escorrentía de las cuencas.

Determinación del periodo de tiempo base que se utilizará en el estudio, que es el periodo común de existencia de datos en las estaciones consideradas en el estudio.

Ajuste de distribuciones de probabilidad para los datos de cada cuenca instrumentada.

Estimación de la media de los caudales máximos (Q2.33) para cada cuenca.

Evaluación de la homogeneidad de los registros.

Establecimiento de relaciones entre la media de los caudales máximos anuales y las características de la cuenca.

Determinación de la relación regional de frecuencia de crecientes. El resultado de este paso es la Curva Regional de Frecuencia que puede ser utilizada para estimar las características de recurrencia de crecientes de una cuenca no instrumentada.

Cálculo de la razón media de creciente para cada intervalo de recurrencia. El resultado es una curva de frecuencia de crecientes para la cuenca no instrumentada.

Smith et al. (1997) aplicaron este método para el Departamento de Antioquia: dividieron el Departamento en 15 zonas y obtuvieron los índices para cada una de las estaciones a partir de los eventos generados por el modelamiento probabilístico de las series de caudales máximos instantáneos. Calcularon la Curva Regional de Frecuencia para cada una de las zonas del Departamento teniendo en cuenta los parámetros de escala, Q2.33, y área de drenaje para periodos de tiempo de base común y más largo de registros. Por último, hicieron ajustes lineales, polinómicos, exponenciales y potenciales para cada una de las regiones y para todo el Departamento. Las ecuaciones que cabe aplicar en este trabajo se presentan a continuación: Para todo el departamento de Antioquia:

Q2.33 = 2.4225 A0.7183 ; R2 = 0.5927



129

Para la cuenca del río Medellín:

Q2.33 = -0.00006 A2 + 0.3166 A + 10.789 ; R2 = 0.9963 Donde: Q2.33: Caudal para un periodo de retorno de 2.33 años en m3/s, y A: área de drenaje en km2. El coeficiente de correlación para la ecuación desarrollada para todo el departamento de Antioquia es muy bajo, por o tanto, no se considera prudente utilizar esta ecuación. En el caso de la ecuación desarrollada para Medellín el coeficiente de correlación está muy cercano a 1 y por lo tanto ésta debe arrojar mejores resultados. Para la cuenca del río Medellín, una vez se calcula Q2.33, se procede a hallar los caudales máximos asociados a otros periodos de retorno utilizando cualquiera de las dos ecuaciones de las curvas regionales de frecuencia que se presentan a continuación:

Q/Q2.33 = -0.4461 FX(X)2 + 1.0492 FX(X) + 0.6593 ; R2 = 0.9467

Q/A = -0.1648 FX(X)2 + 0.397 FX(X) + 0.1214 ; R2 = 0.99 Donde

FX(X) = 1 – 1/TR TR: periodo de retorno en años. Todas las cuencas del estudio pertenecen a la cuenca del Río Medellín, la cual presenta índices característicos de 1.53 para la distribución Log Normal, 1.50 para la distribución Gumbel por el Método de los Momentos y 1.48 para la distribución Gumbel por el método de Máxima Verosimilitud. Utilizando la ecuación para la cuenca del río Medellín para hallar Q2.33 con base en el área de drenaje, se tiene (ver tabla 33): Tabla 33. Caudales Q2.33 en m3/s para los puntos más bajos de las cuencas de drenaje consideradas en el estudio, considerando su área de drenaje en km2 y utilizando la ecuación para la cuenca del río Medellín: Q2.33 = -0.00006 A2 + 0.3166 A + 10.789.

Q2.33 en m3/s Doña María


33.46 15.12 14.15 13.69 17.80 26.85 11.19 11.56 23.19 12.12

En la tabla 34 se presentan los resultados para los caudales máximos calculados con base en la ecuación de Q/Q2.33, mientras que en la tabla 35 se presentan los resultados para los caudales máximos calculados en la ecuación de Q/A.



130

Tabla 34. Caudales máximos calculados en m3/s por el método del índice de crecientes y la relación Q/Q2.33 = -0.4461 FX(X)2 + 1.0492 FX(X) + 0.6593, para los puntos más bajos de las cuencas de drenaje consideradas en el estudio.

TR (años)

Caudal máximo, en m3/s (de Q/Q2.33) Doña María


2.33 37.22 16.82 15.74 15.23 19.80 29.87 12.45 12.86 25.80 13.49 5 40.59 18.34 17.17 16.60 21.59 32.57 13.58 14.03 28.13 14.71 10 41.56 18.78 17.58 17.00 22.11 33.35 13.91 14.36 28.81 15.06 25 42.00 18.98 17.77 17.18 22.35 33.70 14.05 14.51 29.11 15.22 50 42.13 19.04 17.82 17.23 22.41 33.80 14.09 14.56 29.20 15.27

100 42.18 19.06 17.85 17.26 22.44 33.85 14.11 14.58 29.24 15.29

Tabla 35. Caudales máximos calculados en m3/s por el método del índice de crecientes y la relación Q/A = -0.1648 FX(X)2 + 0.397 FX(X) + 0.1214, para los puntos más bajos de las cuencas de drenaje consideradas en el estudio.

TR (años)

Caudal máximo, en m3/s (de Q/A) Doña María


2.33 21.36 4.03 3.13 2.70 6.54 15.07 0.38 0.72 11.61 1.24 5 24.21 4.57 3.55 3.06 7.42 17.08 0.43 0.81 13.16 1.41 10 25.06 4.73 3.68 3.17 7.68 17.68 0.44 0.84 13.62 1.46 25 25.46 4.81 3.73 3.22 7.80 17.96 0.45 0.86 13.84 1.48 50 25.57 4.83 3.75 3.23 7.83 18.04 0.45 0.86 13.90 1.49

100 25.62 4.84 3.76 3.24 7.85 18.08 0.45 0.86 13.93 1.49

7.5.4 Hidrogramas Sintéticos, Modelo del Servicio de Conservación de Suelos de los Estados Unidos.

Los hidrogramas unitarios son modelos que suponen que el efecto de la cuenca que transforma precipitación en escorrentía se puede representar por una función lineal de tipo convolutiva y se utilizan para enfrentar el problema de información escasa. Un hidrograma unitario se puede definir como el hidrograma de escorrentía directa que resulta de una precipitación efectiva de profundidad unitaria, uniformemente distribuida sobre la cuenca y de duración específica (Smith et al., 1997). Varios son los modelos propuestos para la construcción de hidrogramas sintéticos, relacionando las características principales del hidrograma unitario (caudal pico, tiempo al pico, tiempo base y otros) con características morfométricas de la cuenca (área, pendiente, longitud del cauce principal y otros) (Smith et al., 1997). En nuestro medio no se ha desarrollado un hidrograma unitario que corresponda a las condiciones hidrológicas locales, aunque son ampliamente utilizados, especialmente los modelos de Snyder, del Servicio de Conservación de Suelos de los Estados Unidos (Soil Conservation Service, SCS) y el de William y Hann. Este último es el que ha presentado resultados más acordes con las condiciones reales de la zona. En la mayoría de los trabajos efectuados en el medio se toman los caudales máximos arrojados por el modelo de William y Hann para el diseño de estructuras hidráulicas.



131

El modelo del SCS se basa en una serie de hidrógrafas observadas, correspondientes a cuencas de diversos tamaños en distintos sitios de los Estados Unidos (Smith et al., 1997). A continuación se detallarán los pasos seguidos para la construcción de los hidrogramas unitarios sintéticos a partir del modelo propuesto por el SCS. Se toma como ejemplo los resultados obtenidos para la cuenca de la quebrada La Hueso.

Cálculo del número de Curva (CN). El cálculo del número de curva en cada cuenca se requiere para calcular la precipitación efectiva, que es la parte de la precipitación que produce escorrentía superficial directa. El método propuesto por el SCS se basa en el número de curva (CN), que relaciona las características de los suelos presentes en una cuenca con sus condiciones hidrológicas, expresada en valores de CN tabulados. Según las condiciones de humedad antecedente se definen tres grupos: suelos secos, suelos intermedios y suelos húmedos. En el trabajo actual se escogió los números de curva que representan la condición de suelos húmedos, suponiendo que los eventos de crecientes se presentan en períodos invernales en donde los suelos se encuentran en condiciones de humedad alta. Según el método del SCS se define el CN para toda la cuenca y se propone que este valor se obtenga como un promedio ponderado de las áreas con CN diferente. En el presente trabajo se utilizó la información de zonas homogéneas para encontrar el CN, relacionando cada zona homogénea con un valor de CN y encontrando su proporción areal de acuerdo con el número de celdas que corresponden a dicha zona homogénea. La tabla 36 muestra la forma como se obtuvo el CN de la cuenca de la quebrada La Hueso. Tabla 36. Cálculo del CN para la cuenca de la quebrada La Hueso.

Números de curva de acuerdo con los grupos de suelos

Cuenca de la quebrada La Hueso (Incluye la Ana Díaz) Grupo de

suelo Descripción Celdas % de Área CN (II) CN (III) CN(III) en %

100002 Bosque en suelo B 193507 21.79 55 73.76 16.07

100003 Bosque en suelo C 1307 0.15 70 84.29 0.12

200001 Pasto en suelo A 215 0.02 39 59.52 0.01

200002 Pasto en suelo B 248900 28.03 61 78.25 21.93

200003 Pasto en suelo C 4008 0.45 74 86.75 0.39

300002 Cultivo en suelo B 10551 1.19 81 90.75 1.08

400001 Urbano en suelo A 43310 4.88 89 94.90 4.63

400002 Urbano en suelo B 137587 15.49 92 96.36 14.93

400003 Urbano en suelo C 227201 25.58 94 97.30 24.89

500001 Desnudo en suelo A 1858 0.21 72 85.54 0.18

500002 Desnudo en suelo B 19455 2.19 82 91.29 2.00

500003 Desnudo en suelo C 215 0.02 87 93.90 0.02

Total 888114 100.000 CN (Cuenca) = 86.26

Humedad Antecedente III (Suelos húmedos)

La tabla 37 presenta los valores de CN encontrados en las demás cuencas siguiendo el mismo procedimiento.



132

Tabla 37. CN para las cuencas de estudio.

Doña María


84.57 84.16 84.94 81.32 86.26 84.73 94.10 91.81 84.68 86.07

Obtención del Hidrograma Unitario para una lluvia de duración igual a la lluvia efectiva (según SCS).

Para la obtención del Hidrograma Unitario es necesario encontrar el tiempo al pico en horas y el caudal pico en metros cúbicos por segundo por milímetro. Cabe recordar que el hidrograma unitario corresponde al generado por una lluvia de duración igual al de la lluvia efectiva, por lo tanto este es un valor que es necesario calcular. Para encontrar el tiempo al pico es necesario calcular la duración de la lluvia efectiva que depende del tiempo de concentración de la cuenca que a su vez depende del tiempo de rezago. Las relaciones para hallar dichos parámetros son:

TR = (LC0.8 * (S+1)0.7) / (1900 * SC

0.5)

Donde: TR = Tiempo de rezago (tiempo en horas desde el centroide del hietograma de la precipitación efectiva hasta el caudal pico del hidrograma unitario) LC = Longitud del canal principal en pies S = Factor de retención o almacenamiento en pulgadas SC = Pendiente promedio de la cuenca en porcentaje

El factor de retención o almacenamiento está relacionado con el número de curva (CN) por la siguiente expresión:

S = ( 1000 / CN ) - 10

Donde: S = Factor de retención o almacenamiento en pulgadas CN = Número de Curva

El tiempo de concentración, según el SCS, se halla a partir del tiempo de rezago según la siguiente relación:

TC = 5/3 TR

Donde: TC = Tiempo de concentración en horas TR = Tiempo de rezago en horas La duración de la lluvia efectiva, es decir, la duración de la lluvia que produce el hidrograma unitario, está relacionada con el tiempo de concentración de la forma:

T = 0.133 TC

Donde: T = Duración de la lluvia efectiva en horas



133

TC = Tiempo de concentración en horas Y el tiempo al pico se relaciona con la duración de la lluvia efectiva y el tiempo de rezago, de acuerdo con la siguiente expresión:

TP = (T/2) + TR

Donde: TP = Tiempo al pico en horas T = Duración de la lluvia efectiva en horas TR = Tiempo de rezago en horas

El caudal pico se calcula de la siguiente forma:

UP = (2.08*AC) / (TP/10) Donde: UP = Caudal pico en metros cúbicos por segundo por milímetro AC = Área de la cuenca en kilómetros cuadrados TP = Tiempo al pico en horas La tabla 38 muestra los datos de entrada y salida (parámetros) obtenidos para la construcción del hidrograma unitario para cada una de las cuencas de estudio. Tabla 38. Parámetros para la construcción del hidrograma unitario sintético del SCS.

Variables La

Iguaná Santa Elena

La Castro Ana Díaz La


Doña María

La Hueso

CN (III) 84.73 84.68 86.07 81.32 84.94 84.16 94.10 91.81 84.57 86.26

Lc 50164 39633 13904 30430 35689 34610 13737 15705 72507 26837

Sc 39.03 33.17 44.41 44.26 33.40 35.10 25.25 23.82 40.40 36.01

Ac 51.22 39.46 4.22 9.17 10.65 13.71 1.28 2.44 72.6 22.24

S 1.80 1.81 1.62 2.30 1.77 1.88 0.63 0.89 1.82 1.59

TR 1.00 0.90 0.32 0.70 0.82 0.80 0.30 0.38 1.32 0.60

Tc 1.66 1.50 0.53 1.17 1.36 1.33 0.50 0.64 2.21 0.99

T 0.22 0.20 0.07 0.16 0.18 0.18 0.07 0.08 0.29 0.13

Tp 1.11 1.00 0.36 0.78 0.91 0.89 0.33 0.43 1.47 0.66

Up 9.61 8.23 2.47 2.44 2.45 3.22 0.80 1.19 10.26 6.98

Smm 45.78 45.94 41.09 58.33 45.04 47.79 15.92 22.66 46.35 40.47

Tm 13.3 11.9 4.3 9.36 10.8 10.6 4.0 5.1 17.6 7.9

Variables: Definición y unidades

CN (III) Número de curva

Lc Longitud del canal principal (pies)

Sc Pendiente promedio de la cuenca en %

Ac Área de la cuenca (kilómetros cuadrados)

S Factor de retención o almacenamiento (pulgadas)

TR Tiempo de rezago (horas)

Tc Tiempo de concentración (horas)

T Duración de la lluvia efectiva (horas)

Tp Tiempo al pico (horas)



134

Variables: Definición y unidades

Up Caudal pico (metros cúbicos por segundo por milímetro)

Smm Factor de retención o almacenamiento (milímetros)

Tm Duración de la lluvia efectiva en minutos

El hidrograma Unitario para un tiempo igual a la duración de la lluvia efectiva se obtiene multiplicando el tiempo al pico y el caudal pico por cada una de las abscisas del hidrograma Unitario Adimensional del SCS, que relaciona tiempos con caudales (valores tomados de la tabla 6.1 de Smith et al., 1997), consiguiendo así las abscisas del Hidrograma Unitario en cuestión en horas. La figura 89 muestra el hidrograma unitario construido para la cuenca de la quebrada La Hueso, para la duración de la lluvia efectiva.

Figura 89. Hidrograma Unitario para T igual a la duración de la lluvia efectiva. Cuenca de la quebrada La Hueso.

Obtención del Hidrograma Unitario para una lluvia de duración igual al tiempo de concentración.

Ahora es necesario construir el hidrograma unitario para una lluvia de duración igual al tiempo de concentración de la cuenca, para esto, se construye la curva S (suma de hidrogramas unitarios hasta que el caudal se vuelva constante) para la lluvia efectiva y se le resta una nueva curva S que inicia en el tiempo igual al tiempo de concentración de la cuenca. Cabe anotar que el tiempo de concentración de la cuenca es el obtenido utilizando las expresiones que lo relacionan con los parámetros morfométricos de la cuenca, que para el caso de la quebrada La Hueso es de 1.19 horas. La figura 90 muestra las curvas S construidas para la cuenca de la quebrada la Hueso.



135

Figura 90. Curvas S para la cuenca de la quebrada La Hueso para lluvias de duración igual a la lluvia efectiva (0.132 horas) y tiempo de concentración (1.19 horas). El hidrograma unitario para la lluvia de duración igual al tiempo de concentración se construye restando los caudales de las curvas S anteriores, para cada abscisa de éste y multiplicando dicha resta por un factor de normalización que es igual a la relación entre la duración de la lluvia efectiva y el tiempo de concentración (T/TC), que en este caso es 0.132/1.19 = 0.11. La figura 91 muestra el hidrograma unitario para una lluvia de duración igual al tiempo de concentración para la cuenca de la quebrada La Hueso, obtenido siguiendo este procedimiento.

Figura 91. Hidrograma unitario (SCS) para la cuenca de la quebrada La Hueso, para una lluvia de duración 1.19 horas (igual al tiempo de concentración).

Determinación de la precipitación efectiva. La precipitación efectiva es la parte de la precipitación que produce escorrentía superficial directa (Smith et al., 1997). La precipitación efectiva es pues la precipitación total descontándole las pérdidas por interceptación de la vegetación, infiltración y evapotranspiración. Obtenido el hidrograma unitario para lluvias de duración igual al tiempo de concentración, es necesario calcular la profundidad de la precipitación efectiva para cada lluvia a la que se le requiere encontrar el hidrograma de escorrentía directa. En



136

el presente trabajo se calculó la precipitación efectiva para las lluvias máximas tomadas de las curvas IDF reseñadas con anterioridad. El método propuesto por el SCS para el cálculo de la precipitación efectiva tiene en cuenta la siguiente relación, entre la precipitación efectiva y el factor de retención o almacenamiento. Cabe anotar que el factor de retención depende del número de la curva, por lo cual los aspectos geomorfológicos y edafológicos son tenidos en cuenta.

Pe = (P – 0.2*S)2 / (P + 0.8*S)

Donde: Pe = Precipitación efectiva en mm P = Precipitación total en mm S = Factor de retención o almacenamiento en mm La precipitación total, surge a partir de la multiplicación de la intensidad de la lluvia en mm/hr y el tiempo de concentración en horas. La tabla 39 muestra el cálculo de la precipitación efectiva para las lluvias máximas de acuerdo con los diversos períodos de retorno analizados para la cuenca de la quebrada La Hueso. Tabla 39. Cálculo de la precipitación efectiva según el método del SCS para lluvias máximas en la cuenca de la quebrada La Hueso.

Cálculo de la Precipitación efectiva (SCS)

S(mm) = 40.47 Tc(horas) = 1.19

Tr I

(mm/hr) P = I * Tc

(mm) Pe

(mm)

2.33 36.60 43.57 16.572

5 42.60 50.71 21.861

10 45.70 54.40 24.713

25 52.50 62.50 31.197

50 58.40 69.52 37.031

100 63.80 75.95 42.505

Construcción del hidrograma de escorrentía directa. Obtenido el hidrograma unitario para las lluvias de duración igual al tiempo de concentración de la cuenca y calculada la precipitación efectiva producida por lluvias máximas, se construye el hidrograma de escorrentía directa asociado a las lluvias, convolucionando el hidrograma unitario con la precipitación efectiva. Si la lluvia se supone de intensidad constante durante toda su duración, esto se logra multiplicando el hidrograma unitario por la precipitación efectiva en todas sus abscisas. La figura 92 muestra el hidrograma de escorrentía directa producido por una lluvia de duración igual al tiempo de concentración y con intensidad relacionada a un tiempo de retorno de 100 años, en la cuenca de la quebrada La Hueso. De este hidrograma se determina el caudal máximo instantáneo para dicha lluvia de 192.59 m3/s.



137

Figura 92. Hidrograma de escorrentía directa para la cuenca de la quebrada La Hueso producido por una lluvia con Tr = 100 años y duración igual al tiempo de concentración. Este mismo procedimiento se aplicó a todas las cuencas de estudio y se calcularon los caudales máximos instantáneos para los diversos períodos de retorno, los cuales se presentan en la tabla 40. Tabla 40. Caudales máximos instantáneos en m3/s obtenidos según el método del Hidrograma Sintético, según el SCS.

Tr Caudales máximos instantáneos (m

3/s), Hidrograma sintético SCS

Doña María

Altavista La


La Iguaná

La Quintana

Minitas Santa Elena

La Castro

2.33 años 90.83 33.517 28.79 21.34 75.09 101.49 15.88 10.74 96.24 15.19

5 años 116.72 41.125 35.02 26.92 99.05 137.94 20.96 14.09 117.80 19.72

10 años 149.10 49.800 42.05 32.85 111.97 164.24 23.55 15.86 138.24 24.13

25 años 183.21 62.252 52.45 42.31 141.36 197.39 30.05 20.06 173.03 31.45

50 años 209.39 71.450 60.26 49.38 167.79 249.15 34.09 22.53 207.75 36.83

100 años 237.60 80.627 67.68 56.38 192.59 266.84 40.16 26.46 221.34 43.02

7.5.5 Hidrogramas sintéticos, Modelo de Williams y Hann.

El hidrograma unitario sintético de Williams y Hann fue desarrollado para calcular la respuesta de una cuenca a una lluvia instantánea a partir de las principales características geomorfológicas de la misma, tales como área, pendiente del canal de la corriente principal y la relación largo / ancho de la cuenca (Smith et al., 1997). Las características geomorfológicas de la cuenca están representadas en el modelo mediante dos coeficientes: la constante de recesión, K, y el tiempo al pico, Tp. Estos parámetros fueron determinados en una muestra de 34 cuencas ubicadas en diferentes lugares de Estados Unidos, con áreas que varían entre 1.5 y 65 kilómetros cuadrados, mediante análisis estadísticos de regresión y se obtuvieron las siguientes ecuaciones que relacionan K y Tp con al área de la cuenca, la pendiente del canal y la relación Largo/Ancho:



138

K = 27.0 * Ac 0.231 * Scp

-0.777 * (Lc/Wc)0.124

Tp = 4.63 * Ac

0.422 * Scp-0.46 * (Lc/Wc)

0.133

En donde: Ac : área de la cuenca en millas cuadradas, Scp: pendiente media del canal principal en pies/milla, y Lc/Wc: relación largo / ancho de la cuenca. Las ecuaciones utilizadas en este método para determinar la forma del hidrograma unitario sintético (ver figura 93) son:

U = Up (t / Tp)n-1 * exp[(1-n)*( t / Tp – 1)] para t ≤ t0

U = U0 exp [(t0 – t)/K] para t0 < t ≤ t1

U = U1 exp [(t1 – t)/3K] para t > t1 La primera ecuación define la curva de concentración del hidrograma, hasta el punto de inflexión, t0, de la rama decreciente, mientras que las otras dos ecuaciones definen la curva de recesión del hidrograma, desde el punto t0 hasta el punto t1 y de ahí en adelante. t1 es un punto localizado a una distancia igual a dos veces la constante de recesión (K) del punto t0.

Figura 93. Hidrograma unitario sintético de Williams y Hann (tomada de Smith et al., 1997, figura 6.4, página 98).



139

A partir de estos parámetros K y Tp se determinan otros dos nuevos parámetros, n y B, y los tiempos t0 y t1, que servirán en la obtención del hidrograma unitario sintético. Las ecuaciones que se utilizan para determinarlos son:

n = 1 + {1/(2K/Tp) + √[1/4(K/Tp)2 + Tp/K]}2

t0 = Tp[1 + 1/√(n – 1)]

t1 = t0 + 2K El parámetro B se determina en función de K y Tp usando una gráfica desarrollada por Williams y Hann (ver figura 94).

Figura 94. Relación entre B y n del hidrograma unitario de Williams y Hann (tomada de Smith et al., 1997, figura 6.4, página 100).



140

El caudal pico del hidrograma unitario, Up en pies cúbicos por segundo, se calcula con la siguiente expresión:

Up = B * Ac / Tp

Construcción del hidrograma unitario sintético de Williams y Hann. Para la construcción del hidrograma unitario sintético de Williams y Hann se sigue el siguiente procedimiento (Smith et al., 1997): 1. Se calculan K y Tp. 2. Se calcula n y se determina B en la gráfica de la figura 93. 3. Se calcula t0 y t1. 4. Se calcula Up.

5. Se discretizan las abscisas en intervalos T, tales que la duración T de la lluvia a la

que se le va a aplicar el hidrograma unitario sintético sea múltiplo entero de T. 6. Se obtienen las ordenadas del hidrograma unitario sintético, Ut, reemplazando cada

abscisa t, en las ecuaciones del hidrograma, para los diferentes t. El hidrograma así construido tiene unidades de pies3/s/pul para los caudales y de horas para los tiempos.

En la tabla 41 se presentan los parámetros para el hidrograma unitario sintético para la cuenca de la quebrada La Hueso, calculados siguiendo el procedimiento descrito anteriormente. En la figura 95 se presenta el hidrograma unitario sintético de Williams y Hann para la misma cuenca. Tabla 41. Parámetros y tiempos del hidrograma unitario sintético de Williams y Hann calculados para la cuenca de la quebrada La Hueso.

Parámetro valor

K 0.6831

Tp 1.0427

n 5.9089

B 490

Up (ft3/s.in) 4082.3701

t0 (hr) 1.5134

t1 (hr) 2.8795

U0 (ft3/s.in) 2772.0604

U1 (ft3/s.in) 375.1576



141

Figura 95. Hidrograma Unitario Sintético de Williams y Hann para la cuenca de la quebrada La Hueso y de duración igual al tiempo de concentración de la cuenca, el círculo rojo indica el punto de caudal máximo.

Determinación de caudales máximos usando el hidrograma unitario sintético de Williams y Hann.

Para la determinación de los hidrogramas instantáneos de Williams y Hann para una lluvia en particular, se sigue el mismo procedimiento, explicado en el punto 7.5.4, de convolución de la precipitación efectiva con el hidrograma unitario. Ya que la precipitación efectiva se supuso de intensidad constante, el procedimiento se reduce a multiplicar las ordenadas del hidrograma unitario instantáneo por la precipitación efectiva para hallar el hidrograma instantáneo de escorrentía directa para esa lluvia. Para la determinación de caudales máximos asociados a lluvias de periodos de retorno de 2.33, 5, 10, 25, 50 y 100 años, se calculó la precipitación efectiva de esas lluvias como se explicó anteriormete (ver punto 7.5.4, apartado: Determinación de la precipitación efectiva) y luego se multiplicó el punto de caudal máximo en el hidrograma unitario instantáneo de cada cuenca (ver círculo rojo, figura 95) por la precipitación efectiva de cada lluvia para cada cuenca. Los resultados de estos cálculos se presentan en la tabla 42. Tabla 42. Caudales máximos para las cuencas del estudio determinados por el método de Williams y Hann.

Tr (años)

Caudales máximos en m3/s La

Iguana Santa Elena

La Castro

La Picacha

Altavista Minitas La

Quintana

Doña Maria

La Hueso

Ana Díaz

2.33 82.90 92.51 16.84 28.54 28.85 10.53 16.39 77.62 75.15 21.91

5 112.68 113.23 21.86 34.71 35.40 13.81 21.62 99.76 99.13 27.64

10 134.15 132.88 26.76 41.68 42.86 15.55 24.29 127.43 112.07 33.73

25 161.23 166.33 34.87 51.99 53.58 19.66 31.01 156.57 141.47 43.44

50 203.51 199.69 40.84 59.72 61.50 22.08 35.17 178.95 167.92 50.70

100 217.96 212.75 47.71 67.08 69.40 25.93 41.44 203.05 192.75 57.89



142

7.6 Comparación de caudales máximos determinados según diferentes métodos.

En la tabla 43 y en las figuras 96 a 105 se presenta una comparación gráfica de los resultados de la estimación de los caudales máximos para el mismo punto de cada quebrada y asociados a los mismos periodos de retorno. La diferencia entre los métodos es muy grande, por lo tanto, no es posible decir aún con certeza cuál de éstos resultados se acerca más a la realidad de cada quebrada. Tabla 43. Caudales máximos de 100 años de periodo de retorno para cada quebrada, determinados según los diferentes métodos.

Quebrada Caudales máximos en m3/s

M Rac D Reg C M M Rac P I C

(Q/Q2.33) I C (Q/A) SCS W&H

Doña María 155.34 341.11 91.89 42.18 25.62 237.60 203.05

Altavista 79.90 107.89 30.88 19.06 4.84 80.63 69.40

La Picacha 78.84 107.00 26.50 17.85 3.76 67.68 67.08

Ana Díaz 49.84 158.57 26.66 17.26 3.24 56.38 57.89

La Hueso 197.85 93.11 61.93 22.44 7.85 192.59 192.75

La Iguaná 216.30 247.90 91.81 33.85 18.08 266.84 217.96

Minitas 14.95 18.88 6.72 14.11 0.45 40.16 25.93

La Quintana 51.17 18.75 11.33 14.58 0.86 26.46 41.44

Santa Elena 196.62 115.61 79.58 29.24 13.93 221.34 212.75

La Castro 45.40 66.33 16.60 15.29 1.49 43.02 47.71

Las figuras se construyeron como diagramas de barras, graficando juntos los resultados de los cálculos de caudales máximos asociados al periodo de retorno de 100 años. En las leyendas, M Rac D: Método Racional Distribuido; Reg C M: Método de Regionalización de las Características Medias de Smith et al., (1997); M Rac. P: Método Racional Probabilístico; I C (Q/Q2.33): Método de Índice de Crecientes, utilizando la ecuación de Q/Q2.33; I C (Q/A): Método de Índice de Crecientes, utilizando la ecuación de Q/A; SCS: Hidrograma Sintético según el SCS y W&H: Hidrograma Sintético según Williams y Hann.



143

Figura 96. Comparación de caudales máximos para la quebrada Doña María.

Figura 97. Comparación de caudales máximos para la quebrada Altavista.



144

Figura 98. Comparación de caudales máximos para la quebrada La Picacha.

Figura 99. Comparación de caudales máximos para la quebrada Ana Díaz.



145

Figura 100. Comparación de caudales máximos para la quebrada La Hueso.

Figura 101. Comparación de caudales máximos para la quebrada La Iguaná.



146

Figura 102. Comparación de caudales máximos para la quebrada Minitas.

Figura 103. Comparación de caudales máximos para la quebrada La Quintana.



147

Figura 104. Comparación de caudales máximos para la quebrada Santa Elena.

Figura 105. Comparación de caudales máximos para la quebrada La Castro.



148

Del análisis de las figuras se puede concluir que los únicos métodos cuyos resultados guardan algún tipo de consistencia entre sí son el Método Racional Distribuido y los hidrogramas sintéticos, según el SCS y según Williams y Hann, ya que las diferencias entre estos tienden a ser pequeñas en todos los casos excepto para las cuencas más pequeñas – Minitas y La Quintana – y para la cuenca de la quebrada Doña María, cuya diferencia es de más del 25 %. Los métodos del SCS y Williams y Hann son ampliamente utilizados en el medio para el diseño de estructuras hidráulicas, y con respecto a ellos, el Racional Distribuido ofrece la ventaja de poder determinar el caudal máximo en cualquier punto de la cuenca de una forma más eficiente, cualidad que fue aprovechada para la construcción de los mapas de amenaza por inundación. De los otros métodos utilizados, el del Índice de Crecientes y el Racional Probabilístico tienden a arrojar resultados muy bajos en todas las quebradas, en especial cuando se calculan los caudales con la ecuación Q/A del primero. Los resultados hallados según el método de Regionalización de las Características Medias no muestran ninguna tendencia en su comportamiento, pero en casi todas las quebradas se observa que son radicalmente diferentes de los obtenidos con los demás métodos. Al comparar los resultados para las quebradas Ana Díaz y La Hueso se observa una inconsistencia: el caudal calculado para la quebrada Ana Díaz es más alto que para la quebrada La Hueso, lo cual no es posible en la realidad, ya que la primera es afluente de la segunda.

7.7 Comparación de caudales máximos con otras investigaciones.

En este punto se presenta una comparación de los caudales máximos para algunas de las quebradas del estudio, calculados con el método racional distribuido en la presente investigación y con otros métodos en trabajos de investigación diferentes. El objetivo es poner de manifiesto la variabilidad en cuanto a resultados que presentan las diferentes metodologías utilizadas hasta el momento y de las cuales prácticamente ninguna ha validado sus resultados debido a la escasez de información. En la revisión de información secundaria se encontraron trabajos de grado que hacían referencia a las cuencas de las quebradas Doña María, La Picacha, Ana Díaz, La Hueso y La Iguaná, lo que posibilitó la comparación de resultados para dichas quebradas. Para las otras quebradas del estudio no se encontraron trabajos similares o los que había hacían referencia a otro punto de la quebrada, como por ejemplo la quebrada Santa Elena, que tiene información para el punto de su desembocadura en el río Medellín y que en la presente investigación se trabajó hasta la entrada al box colvert de la avenida La Playa, por lo que no es posible hacer ningún tipo de comparación. Quebrada Doña María: En la tabla 44 se presentan los resultados obtenidos por Duque y Nigrinis (1992), publicados en el trabajo de grado: “Estudio hidrológico e hidráulico de la quebrada Doña María”, para el punto de la desembocadura determinados con el método del hidrograma



149

unitario sintético de William y Hann, los publicados por Alvarado (1994) en el “Plan de ordenamiento territorial rural de la cuenca de la quebrada Doña María” que fueron calculados por las firmas METROMED, siguiendo el método de regionalización, y ACP Ltda, que hace un promedio de los resultados obtenidos por los métodos de hidrogramas sintéticos de Snyder, Williams y Hann y SCS, y los obtenidos con el método racional distribuido en la presente investigación. En el estudio de Duque y Nigrinis se presentan varios métodos, pero por facilidad de comparación se muestra sólo el que se seleccionó para el análisis hidráulico. Tabla 44. Comparación de caudales máximos determinados por Duque y Nigrinis (1992), Alvarado (1994) y en la presente investigación para la quebrada Doña María.

Tr (años) 2.33 5 10 25 50 100 Duque y Nigrinis (1992) 114.64 180.24 214.55 267.82 310.63 349.99

Alvarado (1994)

METROMED 59.8 184.0 263.4 362.3 437.0 511.0 ACP ltda. 202.0 247.0 270.0 321.0 367.0 416.0

Presente investigación 66.49 79.62 99.88 121.56 137.65 155.34

Quebrada La Picacha: En la tabla 45 se presentan los resultados obtenidos por Salazar y Betancur (1991), publicados en el trabajo de grado: “Estudio hidrológico e hidráulico de las quebradas La Hueso, Ana Díaz y La Picacha”, determinados según los hidrogramas unitarios de Williams y Hann, Geomorfoclimático, Snyder – AEI y Snyder – Integral y el método XSRAIN y los calculados con el método racional distribuido en la presente investigación. Tabla 45. Comparación de caudales máximos determinados por Salazar y Betancur (1991) y en la presente investigación para la quebrada La Picacha.

Tr (años) Salazar y Betancur (1991)

Presente Investigación

Williams y Hann

H U Geom Snyder -

AEI Snyder - Integral

XSRAIN Rac Dist

5 45.8 19.9 59.9 86.4 54.6 44.4

10 56.6 29.4 70.8 108.1 69.5 51.4

25 68.2 41.2 81.9 131.7 83.3 62.2

50 81.7 56.4 95.0 159.4 99.1 70.3

100 91.1 67.8 103.7 178.9 110.1 78.8

Quebrada Ana Díaz: En la tabla 46 se presentan los resultados obtenidos por Salazar y Betancur (1991), publicados en el trabajo de grado: “Estudio hidrológico e hidráulico de las quebradas La Hueso, Ana Díaz y La Picacha”, determinados según los hidrogramas unitarios de Williams y Hann, Geomorfoclimático, Snyder – AEI y Snyder – Integral y el método XSRAIN, y los calculados con el método racional distribuido en la presente investigación.



150

Tabla 46. Comparación de caudales máximos determinados por Salazar y Betancur (1991) y en la presente investigación para la quebrada Ana Díaz.



Williams y Hann

H U Geom Snyder -


XSRAIN Rac Dist

5 52.7 27.0 61.9 95.7 70.2 27.3

10 62.1 36.4 70.3 113.6 82.4 30.7

25 80.8 56.4 86.7 149.2 105.9 37.1

50 92.7 70.2 97.1 172.1 120.6 43.7

100 104.1 84.2 106.9 194.4 134.8 49.8

Quebrada La Hueso: En la tabla 47 se presentan los resultados obtenidos por Salazar y Betancur (1991), publicados en el trabajo de grado: “Estudio hidrológico e hidráulico de las quebradas La Hueso, Ana Díaz y La Picacha”, determinados según los hidrogramas unitarios de Williams y Hann, Geomorfoclimático, Snyder – AEI y Snyder – Integral y el método XSRAIN, y los calculados con el método racional distribuido en la presente investigación. Tabla 47. Comparación de caudales máximos determinados por Salazar y Betancur (1991) y en la presente investigación para la quebrada La Hueso.



Williams y Hann

H U Geom Snyder -


XSRAIN Rac Dist

5 112.5 109.2 111.7 193.9 159.8 115.4

10 138.6 141.0 132.3 239.3 193.1 128.0

25 173.6 181.5 159.8 301.0 246.1 151.4

50 193.8 210.7 175.3 336.7 273.3 175.7

100 225.4 237.2 199.7 392.6 279.8 197.9

En las tablas anteriores puede observarse que para las quebradas Doña María y Ana Díaz, los valores obtenidos por el método racional distribuido en la presente investigación son considerablemente más bajos que los obtenidos por otros autores, mientras que para las quebradas La Hueso y La Picacha, los valores guardan cierta similitud. Vale la pena reiterar que hasta el momento no es posible afirmar cuál de los métodos representa mejor la realidad de cada cuenca, ya que la falta de datos de caudal reales y confiables no permite hacer una evaluación ni validación de ningún método. Afirmar que uno es mejor que otro sería una simple especulación. Hasta el momento, la ventaja de haber aplicado el método distribuido consiste en tener disponibilidad de los valores caudales máximos en cada punto de la cuenca de una manera más eficiente y no sólo para ciertos puntos escogidos para hacer los cálculos.



151

8 Análisis hidráulico En el presente capítulo se describe la forma como se obtuvieron los niveles de flujo en las diferentes quebradas a partir del modelamiento hidráulico en algunos sectores de las quebradas, utilizando el programa HEC-RAS. Se parte de cortes topográficos de las secciones tomados inicialmente de los modelos de elevación digital y corregidos en campo. Cada corte está definido geométricamente por su distancia a la sección transversal aguas abajo, las abscisas que definen el cauce e hidráulicamente por los valores de rugosidad, representados por números de Manning, tanto en el cauce como en las bancas. El modelamiento hidráulico parte además de la información de caudal obtenida en el análisis hidrológico. Es así como de cada quebrada se obtuvieron seis perfiles hidráulicos, correspondientes a períodos de retorno de 2.33, 5, 10, 25, 50 y 100 años. Para determinar las condiciones de frontera, necesarias para que el programa inicie el proceso de modelación, se supuso un régimen mixto, esto es que el flujo en cada sección podía ser tanto subcrítico como supercrítico. Además para las secciones extremas se supuso un flujo con profundidad normal, para lo cual el programa requiere las pendientes del cauce. El análisis hidráulico se efectuó con la utilización del programa de modelamiento hidráulico HEC-RAS (Hidrologic Engineering Center - River Analysis System), versión 3.0.1 de marzo de 2001 desarrollado por el U. S. Army Corps of Engineers. El modelamiento hidráulico del programa se basa en la solución de la ecuación de energía unidimensional. Las pérdidas de energía se evalúan a partir de la fricción (determinada por la ecuación de Manning) y la contracción/expansión (coeficiente multiplicado por el cambio de la cabeza hidráulica entre secciones). Los datos de entrada son los datos geométricos de las secciones y los datos de caudal para cada sección transversal (que fueron tomados de la matriz de acumulación producida en el análisis hidráulico). Es importante resaltar que el análisis se efectuó para flujo permanente gradualmente variado. A continuación se detallará la forma de captura y entrada de datos al programa HEC-RAS y los resultados arrojados, tomando como ejemplo el modelamiento efectuado sobre la quebrada La Hueso.

8.1 Datos geométricos.

Definidas las secciones transversales a las cuales se les iba a aplicar el modelamiento hidráulico tendiente a encontrar los niveles de agua producidos por un caudal, se requiere inicialmente entrar los datos geométricos al programa HEC-RAS. Las secciones transversales a los cauces de las quebradas se tomaron a partir de los modelos de elevación digital con la utilización del SIG ArcInfo. Se crearon coberturas con la localización de las secciones transversales que se querían generar para cada cuenca, las cuales pueden observarse en las figuras 82 - 87 del capítulo 7. Para generar las secciones transversales con datos de elevación y distancia, en las corrientes principales de cada quebrada, se utilizó el comando surfaceprofile del módulo MapTools del SIG ArcInfo. En dicho módulo se abre una vista nueva y se carga la superficie de elevación (MDE) en el sistema y se le da el nombre de la cobertura que tiene las líneas por donde se quiere



152

hacer el perfil, es decir, las secciones transversales, y la distancia de puntos de muestreo. Esta última se refiere a la distancia entre los puntos que se van a tomar al momento de elaborar el perfil. El sistema genera una tabla que da la ubicación cartesiana de cada punto de muestreo, un identificador para la superficie sobre la que se hizo el perfil, un identificador para cada línea o sección, la elevación del punto y la distancia a partir del nodo inicial de la línea (ver tabla 48). Dicha tabla puede graficarse luego o exportarse, desde el módulo Tables del sistema, a un archivo ascii para su manipulación posterior en cualquier otro programa que maneje tablas de valores, tal como Microsoft Excel o Lotus entre otros. Tabla 48. Extracto de la tabla de valores generada por el SIG Arcinfo al hacer las secciones transversales de la cuenca de la quebrada La Hueso (ST 01 HU).

Coord x coord y id st id cobertura dist hor (m) elevación (msnm) 833659.85 1183340.35 1 1 0 1466.00

833659.60 1183339.92 1 1 0.5 1466.00

833659.34 1183339.49 1 1 1 1466.00

833659.09 1183339.06 1 1 1.5 1466.00

833658.84 1183338.63 1 1 2 1466.00

833658.59 1183338.19 1 1 2.5 1466.00

833658.33 1183337.76 1 1 3 1466.00

833658.08 1183337.33 1 1 3.5 1466.01

833657.83 1183336.90 1 1 4 1466.01

833657.57 1183336.47 1 1 4.5 1466.02

833657.32 1183336.04 1 1 5 1466.03

833657.07 1183335.61 1 1 5.5 1466.05

833656.82 1183335.17 1 1 6 1466.06

833656.56 1183334.74 1 1 6.5 1466.07

833656.31 1183334.31 1 1 7 1466.09

833656.06 1183333.88 1 1 7.5 1466.11

833655.80 1183333.45 1 1 8 1466.13

833655.55 1183333.02 1 1 8.5 1466.14

833655.30 1183332.59 1 1 9 1466.16

833655.05 1183332.16 1 1 9.5 1466.19

833654.79 1183331.72 1 1 10 1466.21

833654.54 1183331.29 1 1 10.5 1466.23

833654.29 1183330.86 1 1 11 1466.25

833654.03 1183330.43 1 1 11.5 1466.27

833653.78 1183330.00 1 1 12 1466.29

833653.53 1183329.57 1 1 12.5 1466.32

833653.28 1183329.14 1 1 13 1466.34

833653.02 1183328.70 1 1 13.5 1466.36

833652.77 1183328.27 1 1 14 1466.39

833652.52 1183327.84 1 1 14.5 1466.41

833652.27 1183327.41 1 1 15 1466.43



153

En el presente ejercicio dichas tablas se exportaron a archivos ascii y fueron manipuladas en Microsoft Excel 97, para organizar los datos antes de entrarlos al programa HEC-RAS y también para visualizar las secciones en gráficas de MS Excel 97. En la figura 106 se presenta la sección transversal ST 01 HU de la quebrada La Hueso.

Figura 106. Sección transversal número 01 sobre la quebrada La Hueso, gráfica de MS Excel 97. En la mayor parte de las secciones no se detallaba la forma exacta del cauce, por lo cual fue necesario corregir su forma a partir de medidas efectuadas en campo y de fotos tomadas perpendiculares a las secciones y con referencias de distancia que posibilitaban su corrección. El procedimiento de corrección se basa en la posibilidad de presentar tanto la gráfica generada en Excel como la fotografía digital tomada perpendicular a la sección, en la misma escala. Esto se logra con referencias de distancia tanto vertical como horizontal. La referencia horizontal se obtiene midiendo la distancia entre dos jalones en el campo y llevando dicha distancia al perfil generado en Excel, los puntos de ubicación de los jalones deben estar localizados en el perfil. La referencia vertical se obtiene con la mira posicionada en un punto conocido en el perfil, se ajusta la escala del perfil de manera que la línea formada por la mira coincida con la longitud de la misma (4 metros). Posteriormente se corrige manualmente la forma del cauce ajustando los valores de altura de las abscisas a partir de la foto. La figura 107 muestra la fotografía digital de la sección transversal ST 01 HU con las referencias de distancia.



154

Figura 107. Fotografía de la sección transversal ST 01 HU con referencias de distancia. En la figura 108 se observa la sección transversal ST 01 HU, luego de corregir manualmente los valores de altura de las abscisas que corresponden al cauce. La totalidad de las secciones transversales se presentan en el anexo digital del trabajo junto con las fotografías de las mismas.

Figura 108. Sección transversal tomada del DEM (Cauce corregido a partir de la foto), ST 01 HU. Además de la corrección de la forma del canal, las fotos tomadas en cada una de las secciones fueron útiles para la determinación de los números de Manning que caracterizan la rugosidad de las llanuras de inundación y el canal en las secciones. Estos valores se definieron a partir de tablas que relacionan las características de la sección con coeficientes de rugosidad. Otros datos que el programa requiere son las distancias entre secciones tanto por el canal como por las bancas y las abscisas que definen el canal para



155

cada sección transversal. La figura 109 muestra el formato de entrada de datos geométricos de cada sección al programa HEC-RAS.

Figura 109. Datos geométricos de la sección transversal ST 01 HU.

8.2 Datos de caudal

Como se mencionó en el capítulo correspondiente al análisis hidrológico, se generaron caudales máximos instantáneos para cada sección. El programa HEC-RAS permite modelar varios perfiles de flujo, entendido cada perfil como un conjunto de caudales para las secciones. En el caso actual se modelaron perfiles para cada período de retorno con las mismas condiciones de frontera. Las condiciones de frontera, necesarias para que el programa ejecute el modelamiento hidráulico, fueron las correspondientes a un flujo con profundidad normal en las secciones transversales extremas (sección más baja y sección más alta del tramo de la quebrada modelado). Los parámetros de entrada para dichas condiciones son las pendientes medidas a lo largo del cauce en un tramo de 50 metros a ambos lados de las secciones transversales extremas. La figura 110 esquematiza el formato de entrada de datos de caudal para diferentes períodos de retorno en cada una de las secciones transversales.

Geometría de la sección

Distancia hasta la próxima

sección aguas abajo

Coeficientes

de Manning

Abscisas que

definen el cauce



156

Figura 110. Datos de caudal para la cuenca de la quebrada La Hueso.

8.3 Datos de salida

El programa HEC-RAS posee varias opciones de despliegue de resultados. En la investigación actual los datos que se utilizaron fueron los valores de altura de agua generada en cada sección que se presentan en la tabla 49, en la columna titulada W.S. Elev. Con los datos de nivel que arroja el programa para cada sección transversal y para diferentes períodos de retorno se construyen superficies de inundación por interpolación de secciones tal como se reseñará en el próximo capítulo. A continuación se presentan ejemplos de resultados arrojados por el HEC-RAS para la cuenca de la quebrada La Hueso.

Caudales máximos instantáneos

para diferentes períodos de retorno Condiciones de frontera



157

Tabla 49. Altura máxima de agua para diferentes períodos de retorno para las secciones transversales definidas en las quebradas Ana Díaz y La Picacha. Datos arrojados por el programa HEC-RAS.



158

Figura 111. Sección transversal ST 01 HU de la quebrada La Hueso con los niveles alcanzados debido a caudales máximos instantáneos (líneas horizontales de color violeta).

Figura 112. Sección longitudinal de la quebrada La Hueso con los niveles normales y los niveles alcanzados debido a caudales máximos instantáneos.



159

Figura 113. Sección longitudinal de la quebrada La Hueso entre las secciones 01 y 04, vista en perspectiva, con los niveles normales y los niveles alcanzados debido a caudales máximos instantáneos.

Figura 114. Curva de gasto (caudal vs elevación del nivel de agua) para la sección transversal ST 01 HU de la quebrada La Hueso.



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9 Mapas preliminares de amenaza por inundación En este capítulo se presenta el proceso final, utilizado para la obtención de los mapas de amenaza por inundación de cada una de las quebradas del estudio. Una vez se obtuvieron los caudales máximos en cada una de las secciones transversales de las quebradas se procedió a determinar el nivel de dicho caudal en cada sección utilizando el programa HEC – RAS, tal como se explicó en el capítulo 8. A la cobertura de líneas que representa las secciones transversales se le añadió un campo en el que se especifica el nivel que alcanza el agua para los caudales máximos en cada periodo de retorno, y se denominó cst100_cuenca, donde 100 indica que se trata de los niveles asociados a caudales máximos de 100 años de periodo de retorno. A partir de dicha cobertura se construyó una red triangular irregular (TIN, por sus iniciales en inglés) haciendo interpolación lineal de los valores de nivel de agua, para así obtener una superficie de nivel de agua asociada al caudal máximo determinado. Dicha superficie se denominó tni100_cuenca. Posteriormente se pasó la superficie del formato TIN a grid (o raster, matriz de valores) y se denominó gni100_cuenca, con tamaño de celda igual al del modelo de elevación digital (ver figura 115).

Figura 115. Proceso de construcción de las superficies de inundación a partir de los datos de nivel de agua en cada sección transversal determinados en el programa HEC – RAS.



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Para hallar las zonas inundables se restó una superficie que representa el modelo de elevación digital de la superficie que representa el nivel de agua, gni100_cuenca, y el mapa resultante se denominó gzi100_cuenca (ver figura 116).

Figura 116. Resta de matrices para determinar las zonas de inundación. Las celdas con valores negativos corresponden a zonas secas y las celdas con valores positivos corresponden a zonas que son susceptibles de ser inundadas en los eventos de caudales máximos. Una vez obtenidas las zonas inundables asociadas a cada quebrada se compararon los resultados para los diferentes periodos de retorno y se decidió presentar sólo los resultados del proceso para los caudales máximos de 100 años de periodo de retorno, ya que las zonas de inundación son muy pequeñas y las diferencias entre estas son apenas de algunos metros. Luego de obtener las matrices que representan las zonas de inundación se hizo un recorrido de campo para verificar los resultados obtenidos. En dicho recorrido se hizo una cartografía de llanuras de inundación y de depósitos aluvio – torrenciales en las márgenes de cada quebrada, en las zonas en las que todavía fue posible reconocerlos – zona rural y suburbana -, en escala 1: 2000.



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Posteriormente se digitalizaron las zonas de amenaza por inundación a partir de la superficie de zonas inundadas en una cobertura de polígonos que se denominó czi100_cuenca, corrigiéndolas con la información obtenida en campo. Los mapas preliminares de amenaza por inundación presentan estas zonas así como las cartografiadas en campo. En la figura 117 se observa un tramo de la quebrada La Castro, con la matriz resultante del proceso y la cobertura de polígonos que finalmente representa las zonas de amenaza por inundación corregidas.

Figura 117. Zonas de amenaza por inundación de un tramo de la quebrada La Castro (una cuadra arriba de la calle 52). La matriz resultante del proceso está dibujada con color rojo, la zona de inundación digitalizada se presenta en color amarillo y corresponde a la zona de amenaza por inundación en este sector. Los mapas de amenaza por inundación de cada cuenca se presentan en los respectivos anexos en escala 1: 10000 en una vista general de la quebrada, y se resaltan las zonas de amenaza en recuadros a escala más detallada, ya que en escala 1:10000 no se visualizan bien las zonas.



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10 Análisis del evento del 16 de septiembre de 1988 En este capítulo se presenta la única validación posible hasta el momento del modelo que se aplicó para la obtención de los mapas de amenaza por inundación. Debido a la imposibilidad de contar con datos reales de mediciones de caudal y de precipitación simultáneas en las cuencas de las quebradas del estudio y a la ausencia de inundaciones por desbordamiento de cauces en el tiempo que duró el estudio y que pudieran ser registrados de alguna forma, se aprovechó el registro fotográfico y pluviográfico del evento del viernes 16 de septiembre de 1988, en el que se presentó desbordamiento de las quebradas de la zona occidental de la ciudad, para comparar con los resultados arrojados por el modelo.

10.1 Descripción del evento. Entre las 11 p.m. del viernes 16 de septiembre de 1988 y la 1 a.m. del sábado 17, se presentó una lluvia intensa generalizada en el sector occidental de la ciudad. Dicha lluvia ocasionó crecientes súbitas en las quebradas La Iguaná, La Hueso, Ana Díaz y La Picacha, las cuales se desbordaron en algunos tramos, inundando parte de los barrios El Salado, La América, La Floresta, Calasanz, El Estadio, El Corazón, Santa Teresita, Laureles, San Joaquín, Conquistadores, San Javier, 20 de Julio, Blanquizal, La Iguaná, Fuente Clara, Moravia y San Isidro entre otros y dejaron un saldo de 18 personas muertas y 100 familias damnificadas (El Colombiano, 18 de septiembre de 1988). Las características principales de la tormenta, medidas en la estación San Cristóbal, fueron: intensidad de 116 mm / hr y duración aproximada 1 hora (ver figura 118). La parte señalada con la flecha roja corresponde al evento de lluvia que causó las inundaciones; el dato de la intensidad fue extraído por el operario al vaciar la vasija, pues resulta imposible leer con precisión debido a la resolución temporal del pluviograma (ver círculo rojo).

Figura 118. Fotocopia del pluviograma de la estación San Cristóbal del viernes 16 al domingo 19 de septiembre de 1988 (datos suministrados por EEPPM).



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En el periódico El Colombiano, del domingo 18 de septiembre de 1988, se le dio un cubrimiento importante a este evento, con un registro fotográfico de algunos sitios que presentaron inundaciones debidas al desbordamiento de las quebradas La Iguaná, La Hueso, Ana Díaz y La Picacha, del que se extrajeron las figuras 119 a 125.

Figura 119. Quebrada La Iguaná en el sector de Los Colores.

Figura 120. Barrio La Iguaná, aguas arriba de la carrera 65.



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Figura 121. Barrio La Iguaná en la margen izquierda de la quebrada del mismo nombre. En la creciente de la quebrada La Iguaná la corriente arrastró también mucho material en suspensión: lodo, rocas, y escombros, por lo que se cree que el flujo tuvo carácter torrencial. La quebrada La Iguaná, a la altura de Los Colores, se llevó parte de la calzada (ver figura 119). A la altura del barrio La Iguaná (figuras 120 y 121), la quebrada arrasó varias viviendas que se habían construido prácticamente sobre el cauce de la misma, en su margen izquierda y afectó a todo el barrio La Iguaná. Dicha corriente también se desbordó a la altura de los barrios Blanquizal y Fuente Clara, pero de estos sitios no se encontró registro fotográfico. En el sector de la Plaza de Toros La Macarena, la inundación se debió tanto al desborde de la quebrada La Hueso como del Río Medellín, y afectó principalmente el barrio Naranjal (ver figura 122) así como el sector de Suramericana. La quebrada La Hueso también se desbordó a la altura de los barrios El Salado, 20 de Julio, San Javier, Calasanz, La Floresta y El Estadio, pero de estos sectores no se encontró registro fotográfico en el periódico. La creciente de la quebrada Ana Díaz también presentó carácter torrencial, y fue precisamente el material que arrastró la corriente el que taponó el puente de la calle 35 con carrera 86, a la altura de los barrios Santa Mónica y La América. Una vez taponado el puente, el agua se desbordó y siguió su curso por la calle 35 hacia el oriente, afectando los barrios Laureles y San Joaquín (ver figuras 123 y 124). La quebrada La Picacha se desbordó a la altura de la calle 33, y las aguas siguieron su curso por la misma avenida hacia el oriente (ver figura 125).



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Figura 122. Sector Plaza de Toros La Macarena, vista hacia el occidente.

Figura 123. Puente de la calle 35 con carrera 89 sobre la quebrada Ana Díaz.



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Figura 124. Garajes en el barrio Laureles que quedaron completamente anegados.

Figura 125. Avenida 33 con calle 65, desborde la quebrada La Picacha.



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10.2 Resultados arrojados por el modelo para un evento similar al del 16 de septiembre de 1988. Para evaluar dicho evento con el modelo planteado en el presente estudio, se supone que la tormenta en cuestión tuvo una duración igual o mayor que el tiempo de concentración de las cuencas, y que los suelos estaban saturados. Dicho evento ocurrió en la mitad de la segunda temporada invernal del año, de una rápida revisión de los pluviogramas y de la prensa de los días anteriores, se puede afirmar que se cumplió la hipótesis de que los suelos estaban saturados. Por otro lado, la duración de la lluvia fue de una hora aproximadamente, por lo que para las cuencas de las quebradas La Hueso, Ana Díaz y La Picacha se cumple la hipótesis de que la lluvia tuvo una duración al menos tan larga como el tiempo de concentración de las cuencas, a saber de aproximadamente 1 hora; para la cuenca de la quebrada La Iguaná la duración de la lluvia fue aproximadamente la mitad del tiempo de concentración de la cuenca, que es de aproximadamente 2 horas, por lo que para esta cuenca no se presentan resultados del modelo. La intensidad de la tormenta que se trabajó en el modelo fue de 110 mm/hr; los caudales máximos obtenidos en las quebradas, luego de desarrollar todo el proceso con el método racional distribuido, se presentan en la tabla 50. Tabla 50. Caudales máximos para una intensidad de 110 mm/hr, según el método racional distribuido, para los puntos más bajos de las quebradas.

Quebrada Caudal (m3/s)

La Picacha: 152

Ana Díaz: 91

La Hueso: 362

A continuación se presentan las zonas de inundación obtenidas en los mismos sectores de donde hay registro fotográfico de desbordamientos. Es importante anotar que los cauces de las quebradas fueron modificados después de 1988, ampliando las secciones hidráulicas de los mismos para evitar nuevas inundaciones, por lo que las zonas determinadas al correr el modelo se deben ver más bien como las zonas susceptibles de ser inundadas si se presentara un evento similar al de 1988 hoy en día. En la figura 126 se presenta el sector de la avenida 33 en el lugar donde se cruza la quebrada La Picacha. Allí, los puentes que cruzan la quebrada en la carrera 66B y en la calle 33 fueron modificados después de 1988, ampliando el cauce, lo que explicaría que el modelo no indique que ocurra desbordamiento en esos lugares; sin embargo, se espera que el cauce sea sobrepasado un poco a pocos metros de la avenida 33, pero afectando sólo las vías que bordean la quebrada. En el sector de la calle 35 con carrera 86 el modelo no presenta ninguna zona de inundación, por lo que no se muestra un mapa de ese lugar. Esto puede deberse a que el problema en el puente que cruza la quebrada Ana Díaz allí fue taponamiento con todo tipo de escombros (ver figura 123), lo cual no es tenido en cuenta en el modelo.



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Figura 126. Quebrada La Picacha en el cruce con la avenida 33, zona de inundación, en rojo, para una lluvia de 110 mm/hr y duración 1 hora. En la quebrada La Hueso, para una lluvia similar a la ocurrida el 16 de septiembre de 1988, el modelo indica zonas susceptibles de ser inundadas en El Estadio y en el sector Naranjal – Suramericana, que pueden concordar con las zonas afectadas realmente en el evento mencionado (ver figuras 122, 127 y 128). Es importante anotar que con la construcción de la línea B del tren metropolitano se modificó el canal de la quebrada de manera importante en los barrios Santa Lucía, La Floresta, Calasanz, Estadio y hasta su desembocadura en el río Medellín, por lo que es de esperarse que las zonas en las que se indica que podría haber inundación con las condiciones actuales sean más pequeñas que las zonas realmente afectadas durante el evento en cuestión.



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Figura 127. Zona de inundación en el sector Naranjal - Suramericana, en rojo, asociada a la quebrada La Hueso y para una lluvia de 110 mm/hr y duración 1 hora.



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Figura 128. Zona de inundación en el sector Estadio, en rojo, asociada a la quebrada La Hueso y para una lluvia de 110 mm/hr y duración 1 hora.

10.3 Comparación de resultados con los registros del evento. De una revisión de los resultados obtenidos aplicando el modelo utilizado en la elaboración de mapas de amenazas por inundación, con los registros fotográficos y los reportes de prensa, se puede concluir que el modelo se acerca a la realidad en los sectores en donde no exista taponamiento del cauce debido al transporte de sedimentos en eventos de crecientes. Estas condiciones se cumplieron en las partes bajas de la quebrada La Hueso, antes de su desembocadura (figuras 126 y 127). Debido a que el modelo solo tiene en cuenta la cantidad de agua generada por una lluvia crítica, no es posible modelar el transporte de sedimentos, que en ocasiones son los causantes de desbordamientos producidos por taponamientos del cauce. Tal es el caso de lo ocurrido en el puente de la carrera 86 con calle 35 (figura 123) que pasa sobre la quebrada Ana Díaz. En este sitio el desborde de la quebrada fue producido por el taponamiento de la sección, situación imposible de modelar teniendo en cuenta solo el agua generada por la lluvia.


Maestría en Ciencias de la Tierra Universidad EAFIT

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11 Aforos en estaciones limnimétricas y limnigráficas El objeto del presente capítulo es presentar los resultados de los aforos efectuados en varias de las estaciones limnigráficas y limnimétricas instaladas durante la investigación, se detalla el procedimiento seguido durante los aforos, los cuales deben realizarse regularmente para determinar curvas de gasto (relación entre el nivel de la quebrada y el caudal que pasa por la sección). Además se propone mejorar algunas estaciones en las cuales su ubicación no permite realizar aforos confiables debido a la irregularidad e inestabilidad del canal.

11.1 Lista de Estaciones

En la tabla 51 se relacionan las estaciones limnimétricas y limnigráficas instaladas por el SIMPAD, hasta el 27 de junio de 2001 (ver figura 129). Tabla 51. Lista de estaciones para medición de nivel de agua en las quebradas, instaladas por el SIMPAD a 27 de junio de 2001.

Quebrada Nombre estación Tipo: No.

Altavista Altavista Almacén EEPPM LM 1

La Picacha Picacha Conquistadores LM 2

La Hueso Hueso Metro Floresta LM 3

La Hueso Hueso Metro Suramericana LM 4

Ana Díaz Ana Díaz Colegio Jesús María LM 5

La Quintana Quintana Carrera 65 LM 6

La Minitas Minitas Carrera 65 LM 7

Doña María Doña María Bomba gasolina LG 8

Doña María Doña María Pte Vereda La Verde LM 9

La Iguaná Iguaná Ladrillera San Cristóbal LM 10

La Iguaná Iguaná Carrera 74 LG 11

La Iguaná Iguaná Carrera 80 LM 12

Santa Elena Santa Elena Box Colvert LG 13

Santa Elena Santa Elena Plaza Minorista LM 14

La Castro Castro Hogar Antioquia LM 15 Nota: LM: limnímetro, LG: limnígrafo.

11.2 Observaciones de campo

Todas las estaciones relacionadas en la tabla fueron visitadas en campo, los días 27 de junio y 3 de julio del año en curso. De las visitas de campo se concluyó lo siguiente: Las estaciones Iguaná Carrera 80 (LM), y Minitas Carrera 65 (LM) no se encontraron en campo, es posible que hayan sido hurtadas, pero no se observó ni siquiera las marcas pintadas en los muros. En el caso de la quebrada Minitas, se recorrió el tramo de ésta comprendido entre la carrera 65 y la Autopista, sin encontrar indicios del limnímetro.



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Figura 129. Localización de las estaciones limnimétricas y limnigráficas en el contexto del Valle de Aburrá. En el caso de la quebrada Iguaná, se recorrió un tramo de aproximadamente 200 metros aguas abajo a partir del puente sobre la carrera 80 y tampoco se observó nada que indicara la presencia del limnímetro. En este caso se recomienda no ubicar un limnímetro en este lugar, ya que se observó, de acuerdo con el Ing Civil Rafael Madrigal, asesor en hidrología e hidráulica del proyecto, que el sitio no es adecuado para la ubicación de una estación ya que el caudal normal de la quebrada no alcanza a dar una lectura representativa en el limnímetro en la mayor parte del tiempo. Las estaciones Doña María Bomba gasolina (LG) y Santa Elena Box Colvert (LG) deben ser reubicadas según criterio del Ing. Civil Rafael Madrigal, por lo tanto no se hicieron medidas de caudal en dichas estaciones. En la visita de campo realizada el 27 de junio a la estación Iguaná Ladrillera San Cristóbal (LM) con el Ing. Rafael Madrigal, se observó que dicha estación está ubicada en un tramo de la quebrada en el que la sección geométrica es inestable y no cumple con los requisitos mínimos para la ubicación de estaciones de medición de caudal, ya que está sometida a constantes cambios en la sección por rocas que arrastra la quebrada y se crearon empozamientos y caídas pequeñas en el lugar (ver figura 130). Por otro lado, en el lugar no se observó la parte inferior del limnímetro, que fue hurtada. Por lo anterior no se midió el caudal en dicha estación y se recomienda abandonar la misma.



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En caso de ser necesario medir el caudal de la quebrada en este punto, teniendo en cuenta las zonas de amenaza por inundación, se debe construir una pequeña estructura (vertedero de cresta ancha) para garantizar una medición adecuada del caudal. La estación Hueso Metro Suramericana (ver figuras 131 y 132), debe ser limpiada periódicamente o reubicada, ya que en este punto la sección de la quebrada cambia constantemente con la depositación del material que arrastra la quebrada y no es posible garantizar una relación confiable entre el nivel medido en el limnímetro y el caudal de la quebrada. El mejor punto para reubicar esta estación es 20 metros aguas debajo de la confluencia de las quebradas La Hueso y Ana Díaz, cerca al puente del patinódromo (ver figura 5) ya que el canal en ese punto es trapezoidal y no se presenta depositación de ningún tipo. Las estaciones Doña María Pte Vereda La Verde (ver figuras 133 y 134) y Castro Hogar Antioquia (ver figura 136) deben ser limpiadas antes de hacer las mediciones de caudal vs nivel de agua, ya que las piedras que arrastra la quebrada cambian sustancialmente la geometría de la sección y de esta forma no se podría encontrar una curva de gastos para dichas estaciones en la que se pueda relacionar caudal vs nivel de agua con un grado de confianza aceptable.

Figura 130. Fotografía del limnímetro de la estación Iguaná Ladrillera San Cristóbal. En ésta puede observarse la pequeña caída de agua que se formó hacia la parte inferior de la foto y las rocas y el pequeño empozamiento hacia la parte central y en el borde de la quebrada, evidencias de la inestabilidad de la sección.



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Figura 131. Estación Hueso Metro Suramericana. Obsérvese cómo se modifica la geometría de la sección al acumular las piedras al lado izquierdo del canal, justo donde se encuentra el limnímetro (adentro del círculo azul).

Figura 132. Vista del limnímetro de la estación Hueso Metro Suramericana. Obsérvese la diferencia entre el nivel del agua en el limnímetro y en el centro del canal (parte inferior de la foto), en este caso la lectura del limnímetro no corresponde al nivel real del agua.



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Figura 133. Sitio adecuado para la reubicación de la estación Hueso Metro Suramericana, en el sitio indicado por la flecha roja, a aproximadamente 20 metros aguas abajo de la confluencia de las quebradas Hueso y Ana Díaz.

Figura 134. Estación Doña María Vereda La Verde. Las piedras arrastradas por la quebrada formaron una pequeña caída de agua en el sector donde se ubicó el limnímetro (círculo azul).



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Figura 135. Detalle del limnímetro de la estación Doña María Vereda La Verde. Obsérvese la diferencia en el nivel de agua de la quebrada en la zona inferior de la foto y el señalado en el limnímetro.

Figura 136. Estación Castro Hogar Antioquia. El limnímetro (ver círculo azul) está ubicado justo debajo del puente peatonal, a pocos centímetros de las piedras que se observan en la foto y que hacen que el flujo de agua sea nulo en ese lado del canal.



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En el resto de las estaciones relacionadas en la tabla 55 se hicieron aforos para obtener los primeros puntos de las curvas de gastos de cada estación. Es importante recordar que en este trabajo sólo se presentan estos primeros puntos de la curva de gastos, la cual se debe seguir construyendo haciendo aforos en las estaciones cada dos meses, para obtener puntos en diferentes niveles de agua y establecer una relación clara nivel vs caudal.

11.3 Realización de Aforos

Para la realización de los aforos (medición de caudales) en las quebradas se siguió un procedimiento sencillo, el cual se describe a continuación: En primer lugar se levanta la sección transversal detallada del sitio en donde se encuentra ubicado el limnímetro o limnígrafo, tomando datos de profundidad del cauce cada 50 cm. Para esto se ubican dos jalones a ambos lados del cauce, y se amarra una cuerda entre ellos (ver figura 137).

Figura 137. Ubicación de los jalones en una línea perpendicular al cauce, con la cuerda amarrada entre ellos. Estación Iguaná Carrera 74, sitio con limnímetro y limnígrafo. Luego se marca la cuerda con cinta negra cada 50 cm (ver figura 138), para determinar los puntos en los que se va a medir la profundidad del cauce. Las mediciones de profundidad del cauce se toman con una mira de topografía convencional en los sitios señalados en la cuerda. Luego se procede a calibrar el correntómetro, verificando las unidades de medida y que los datos correspondan a la realidad observada. Para esto se puede realizar una medición de la velocidad superficial de la corriente, utilizando un cronómetro y un pequeño flotador. Se arroja el flotador a la corriente y se cronometra el tiempo de recorrido en un tramo de longitud previamente determinada y se compara con una medición hecha con el correntómetro.



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Figura 138. Detalle de la cuerda (color amarillo) amarrada entre los jalones con marcas cada 50 cm (negras, ver recuadro azul). A la izquierda puede observarse el sitio donde está ubicado el limnímetro (barra roja). Una vez calibrado el aparato se procede a tomar las mediciones de velocidad de la corriente en los puntos medios de los segmentos señalados en la cuerda y a diferente profundidad. Normalmente se toman datos de velocidad a tres profundidades diferentes en cada punto: al 20, 60 y 80 % de la profundidad en el sitio. Cuando la profundidad es baja (menos de 50 cm), se toma una sola medida al 50% de la misma (ver figuras 139, 140 y 141), éste fue el caso de las quebradas estudiadas.

Figura 139. Esquema de una sección transversal, dibujada con datos de profundidad cada 50 cm (h1, h2) y los puntos donde se toma el dato de velocidad (v). En los canales en “V” de las quebradas del estudio, ya que definen cauces muy angostos (de aproximadamente 1 a 1.5 metros de ancho), se tomaron datos de velocidad en tres tramos, tal como se ilustra en la figura 11, en los puntos v1, v2 y v3.



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Figura 140. Esquema de medición de la velocidad de la corriente en canales en “V” angostos, x1, x2 y x3 son las distancias a las cuales se mide la profundidad del cauce, h1 y h2.

Figura 141. Medición de la velocidad de la corriente en el punto medio de los tramos señalados. Para determinar el caudal de agua que pasa a través del área delimitada por cada trapecio, se hallan las áreas de los mismos delimitados por las profundidades medidas (h1 y h2 en las figuras 138 y 140) y se multiplica por el valor de la velocidad medido dentro de cada trapecio. Por último, se suman todos los caudales medidos en la sección para determinar el caudal total.

11.4 Resultados de los aforos

En este punto se presentan el dato de lectura del limnímetro y el caudal medido en la visita de campo, los cuales constituyen el primer punto de la curva de gasto de cada estación. Para la determinación del caudal se siguió la metodología expuesta en el punto anterior. Los aforos fueron realizados en las visitas de campo los días 27 de junio y 3 de julio de 2001, en medio de la época seca, con 5 días sin lluvia antes del 27 de junio.

11.4.1 Altavista Almacén EEPPM:

Esta estación está ubicada en la calle 30, al frente de la entrada al Almacén General de EEPPM (ver figuras 142 y 143).



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Lectura del limnímetro: 30 cm Caudal: 0.30 m3/s

Figura 142. Estación Altavista Almacén EEPPM.

Figura 143. Estación Altavista Almacén EEPPM, vista desde el puente peatonal.



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11.4.2 Picacha Conquistadores:

Esta estación está ubicada en el puente peatonal a 100 metros de la carrera 65 hacia la desembocadura de la quebrada, en el barrio Conquistadores (ver figuras 144 y 145). Lectura del limnímetro: 8 cm Caudal: 0.22 m3/s

Figura 144. Estación Picacha Conquistadores, vista desde aguas arriba, margen izquierda.

Figura 145. Estación Picacha Conquistadores, vista desde aguas arriba, margen derecha.



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11.4.3 Hueso Metro Floresta:

Esta estación está ubicada en la estación Floresta del Metro, a pocos metros aguas abajo de la carrera 80 (ver figura 146). Lectura del limnímetro: 15 cm Caudal: 0.51 m3/s

Figura 146. Estación Hueso Metro Floresta.

11.4.4 Ana Díaz Colegio Jesús María:

Está ubicada cerca al puente peatonal al frente del Colegio Jesús María (ver figuras 147 y 148). Lectura del limnímetro: 5 cm Caudal: 0.28 m3/s



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Figura 147. Estación Ana Díaz Colegio Jesús María, visto desde la margen derecha.

Figura 148. Estación Ana Díaz Colegio Jesús María, al fondo se observa el puente peatonal.

11.4.5 Quintana Carrera 65:

Está ubicada a la altura de la carrera 65, a aproximadamente 20 metros de la entrada en el box colvert de la carrera 65 (ver figuras 149 y 150). Lectura del limnímetro: 5 cm Caudal: 0.14 m3/s



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Figura 149. Estación Quintana Carrera 65, vista desde la margen izquierda.

Figura 150. Detalle de la estación Quintana Carrera 65.

11.4.6 Iguaná Carrera 74:

Está ubicada a aproximadamente 50 metros del puente de la carrera 74 (ver figuras 151 y 152). En esta estación de aforo se encuentran instalados un limnímetro y un limnígrafo. Lectura del limnímetro: 30 cm Caudal: 0.38 m3/s



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Figura 151. Estación Iguaná Carrera 74, al fondo se observa el puente de la carrera 74.

Figura 152. Detalle de la realización del aforo en la estación Iguaná Carrera 74, la medición de la velocidad del agua se hizo cada 50 cm.

11.4.7 Santa Elena Plaza Minorista:

Esta estación está ubicada en la mitad del tramo de la quebrada Santa Elena comprendido entre la glorieta de Fatelares y la Autopista, al lado de la Plaza Minorista (ver figura 153). Lectura del limnímetro: 7 cm Caudal: 1.26 m3/s



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Figura 153. Estación Santa Elena Plaza Minorista. El limnímetro se encuentra en la zona demarcada por el círculo azul. El acceso a esta parte de la quebrada para la realización del aforo es muy difícil, por lo que se recomienda mejorarlo mediante la instalación de barras de metal o madera, a modo de escalas, aprovechando los orificios que se encuentran en el muro de concreto (ver figura 154).



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Figura 154. Detalle del limnímetro de la estación Santa Elena Plaza Minorista.

Orificios en el muro de concreto



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12 Conclusiones y recomendaciones.

El éxito en la aplicación de la metodología propuesta en este estudio depende principalmente de la existencia y calidad de datos de precipitación y caudal en cada cuenca. Es de suma importancia contar con dichos datos y que éstos se sigan tomando en un futuro, pues el modelo implementado requiere una validación constante en el tiempo que hasta ahora no fue posible llevar a cabo.

Los Modelos de Elevación Digital (MDEs) son la base para el análisis hidrológico que se efectuó, pues a partir de éstos fue posible generar la red de drenaje, la divisoria de aguas de la cuenca y mediante un procesamiento de la información, las curvas hipsométricas de las cuencas y los mapas de pendientes de las mismas. Otra aplicación importante de los MEDs es la generación de matrices de dirección y acumulación de flujo que permitieron definir caudales instantáneos de todos los puntos de las cuencas a partir de lluvias espacializadas y zonas homogéneas en cuanto a la relación precipitación – escorrentía.

El mapa de usos del suelo preparado en la presente investigación está actualizado a 1998, año en que fueron tomadas las fotografías aéreas utilizadas para su elaboración. Ya que en las laderas de la ciudad se ha emprendido un vasto programa de reforestación desde el año pasado, dicho mapa va a quedar desactualizado en un futuro muy próximo, pues se cambió grandes zonas que estaban dedicadas a pastos por plantaciones de pino. Dicho mapa debe ser revisado y actualizado por lo menos cada dos años.

Las curvas hipsométricas de cada cuenca del presente estudio son un aporte nuevo al conocimiento del entorno físico de la ciudad. De éstas es posible extraer información valiosa acerca de la morfología de las cuencas, y su importancia y validez radica en que son una forma objetiva de presentación de la información de la distribución del relieve de la cuenca, que no está sesgada por las ideas a priori que pueda tener el investigador.

Los histogramas de pendientes, o distribución natural de las pendientes en cada cuenca, son un nuevo enfoque al tratamiento de la información de las pendientes que se presenta en ese estudio. Al obtener dichas distribuciones fue posible clasificar las pendientes en cada cuenca de acuerdo con sus tendencias naturales de agrupamiento en intervalos, lo que permitió generar mapas de pendientes diferentes a los comúnmente encontrados en la literatura en los que se utilizan intervalos definidos arbitrariamente.

La importancia de calcular los factores de forma (índice de Gravelius y factor de forma) para las cuencas del estudio, en particular al comparar las de área similar, radica en que éstos pueden dar una idea preliminar de cuáles de ellas merecen más atención en cuanto a las labores de prevención de inundaciones, ya que es probable que su ocurrencia sea mayor que en las otras. Por ejemplo, en las cuencas de la zona suroccidental de la ciudad, el factor de forma indica que la cuenca de la quebrada La Picacha debe ser menos susceptible a presentar inundaciones que la cuenca de la quebrada La Hueso. La comparación de los índices de Gravelius estaría apoyando dicha hipótesis.



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Ya que la densidad de drenaje depende de la interacción entre clima, litología y relieve, cabe comparar la densidad de drenaje de las cuencas de la zona suroccidental de la ciudad, en las cuales la litología y el relieve son similares. En ellas se observa una densidad de drenaje un poco menor en las cuencas de las quebradas Ana Díaz y La Hueso que en las cuencas de las quebradas Altavista y La Picacha, lo que podría estar indicando leves diferencias en la pluviosidad de ambas zonas, con presencia de clima más seco al norte que al sur. Esta hipótesis se puede comprobar luego de obtener datos a partir de la instrumentación efectuada en la presente investigación. Una observación de la vegetación presente en las cuencas de las quebradas de la zona suroccidental que están ubicadas hacia el norte, es decir, La Hueso y la Ana Díaz, permite inferir que la pluviosidad puede variar tal como se expuso anteriormente.

El tiempo de concentración es uno de los factores más importantes en el cálculo de caudales con base en relaciones precipitación – escorrentía, pues la duración de la lluvia crítica que posiblemente ocasionará una inundación debe suponerse igual a él. Por lo tanto, es un factor que debe considerarse con sumo cuidado en la prevención de inundaciones, pues da una buena idea de cuánto es el tiempo transcurrido desde el comienzo de la lluvia, apenas unos minutos antes del inicio de la escorrentía, hasta que se alcanza el caudal máximo para el sitio calculado, que puede ser después de que comienza la inundación, pues es posible que el caudal máximo sobrepase por mucho la capacidad del canal y que el desborde del mismo comience antes de que se alcance el caudal máximo. Así, se tiene una idea de cuál es el tiempo máximo de respuesta posible a las inundaciones en cada cuenca en el punto considerado para su cálculo.

En la actual investigación se determinaron los tiempos de concentración de las cuencas a partir de parámetro morfométricos. Una vez la red de instrumentos esté en funcionamiento es necesario medir directamente el tiempo de concentración a partir de registros pluviográficos y limnigráficos para encontrar tiempos de concentración reales y no supuestos.

Para las cuencas de las quebradas del estudio, los tiempos de concentración varían entre media hora (Minitas) y 2 horas 20 minutos (Doña María) aproximadamente, lo que indica que el tiempo de respuesta ante eventos en estas cuencas es muy bajo, y por lo tanto el esfuerzo para disminuir los desastres en ellas debe enfocarse en las labores de prevención.

Con respecto a las intensidades máximas de las lluvias, en análisis posteriores se debe integrar las nuevas estaciones pluviográficas del SIMPAD para determinar correctamente las intensidades asociadas a los periodos de retorno y las pluviométricas para determinar correctamente la precipitación media anual sobre cada cuenca y así obtener resultados más acordes con la realidad de las mismas. Con la instrumentación también será posible acercarse cada vez más a la distribución espacial de las lluvias máximas en el Valle de Aburrá y por lo tanto será posible diseñar modelos de precipitación - escorrentía más complejos que den cuenta de esa distribución y que se apoyen en datos reales para cada cuenca.

En el cálculo de caudales máximos, el principal obstáculo de aplicar el método racional está en la determinación o selección correcta del coeficiente de escorrentía.



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El coeficiente de escorrentía depende en realidad de las condiciones de humedad antecedente de la cuenca que a su vez depende de los aguaceros que hayan ocurrido antes de un evento en particular. A partir de la nueva instrumentación hidrometeorológica, será posible determinar coeficientes de escorrentía generalizados para cada cuenca.

Los ensayos en campo con el simulador de lluvias permiten un acercamiento espacializado al fenómeno precipitación / escorrentía y a partir de dicho acercamiento fue posible determinar cuáles son las áreas de cada cuenca más susceptibles a generar escorrentía, presentadas en los mapas de zonas generadoras de escorrentía.

De la comparación de caudales máximos instantáneos se puede concluir que el método que menos se asemeja a la realidad de estas cuencas es el de Índice de Crecientes, pues los caudales máximos asociados a los diferentes periodos de retorno son muy similares entre sí y prácticamente no hay un aumento considerable entre los caudales con periodos de retorno de 2.33 años hasta los caudales con periodos de retorno de 100 años.

Asimismo, los métodos racional y de regionalización de las características medias son los que más se ajustan a la idea de que los caudales asociados a periodos de retorno muy largos son mucho mayores que aquéllos asociados a periodos de retorno cortos, pues presentan una tendencia a aumentar progresivamente a medida que aumenta el periodo de retorno.

Los caudales calculados con el método racional presentan un aumento menos abrupto que los calculados con el método de regionalización de las características medias a medida que aumenta el periodo de retorno, pero hasta el momento no es posible determinar cuál de estos métodos se acerca más a la realidad de cada quebrada, pues no existen datos de caudal que sirvan para validar los resultados. Una vez se tengan series de datos largas y confiables de estas quebradas, será posible determinar cuáles métodos se ajustan más a la realidad de cada cuenca.

Del análisis de las figuras en las que se compara los caudales máximos para 100 años de periodo de retorno se puede concluir que los únicos métodos cuyos resultados guardan algún tipo de consistencia entre sí son el Método Racional Distribuido y los hidrogramas sintéticos, según el SCS y según Williams y Hann, ya que las diferencias entre estos tienden a ser pequeñas en todos los casos excepto para las cuencas más pequeñas – Minitas y La Quintana – y para la cuenca de la quebrada Doña María, cuya diferencia es aproximadamente del 25 %. Es importante aclarar que no se está afirmando aquí que el Método Racional Distribuido de estimaciones más cercanas a la realidad que los otros métodos, sino que los métodos mencionados dan resultados similares entre sí.

Los métodos del SCS y Williams y Hann son ampliamente utilizados en el medio para el diseño de estructuras hidráulicas, y con respecto a ellos, el Racional Distribuido ofrece la ventaja de poder determinar el caudal máximo en cualquier punto de la cuenca, cualidad que fue aprovechada para la construcción de los mapas de amenaza por inundación.

Los resultados de caudales máximos determinados con el método de Regionalización de las Características Medias no muestran ninguna tendencia en su comportamiento,



192

pero en casi todas las quebradas se observa que son radicalmente diferentes de los obtenidos con los demás métodos. Al comparar los resultados para las quebradas Ana Díaz y La Hueso se observa una inconsistencia: el caudal calculado para la quebrada Ana Díaz es más alto que para la quebrada La Hueso, lo cual no es posible en la realidad, ya que la primera es afluente de la segunda. Por lo tanto, se recomienda no usar este método para el cálculo de caudales máximos en el Valle de Aburrá.

Los mapas presentados fueron el resultado de aplicar una lluvia máxima de periodo de retorno de 100 años, de acuerdo con los datos disponibles de las curvas IDF de las estaciones San Cristóbal, San Antonio de Prado, Villa Hermosa, Olaya Herrera y Miguel de Aguinaga.

El método hidrológico utilizado en este trabajo es una propuesta en la que se busca utilizar la información espacial de diferentes variables ambientales en cada cuenca e integrar dicha información en el cálculo de los caudales máximos en las quebradas. Debe verse como un primer paso hacia la modelación hidrológica distribuída de las mismas y en ningún caso como un método de resultados comprobados para el Valle de Aburrá.

La diferencia de las zonas de inundación para diferentes periodos de retorno es muy baja, por lo que se decidió presentar únicamente las zonas más grandes, que corresponden a las zonas susceptibles de sufrir inundaciones con un periodo de retorno de 100 años.

Las quebradas involucradas en el estudio son en su mayoría cauces de montaña, muy encañonadas, con llanuras de inundación muy pequeñas o inexistentes. Con respecto a las inundaciones, el principal problema en todas las quebradas estudiadas es la ocupación del cauce. En algunos tramos éste está definido por los muros de las casas que se han construido en las márgenes de las quebradas. Por lo tanto, la escala de trabajo para el análisis de las zonas de inundación debe ser 1: 2000 o más detallada, pues en escalas menores no es posible visualizar bien las zonas, ya que éstas no son extensas.

En el caso de la quebrada Doña María, es importante anotar que la calidad de los resultados depende en gran medida de la calidad de los insumos utilizados en el proceso. Ya que no se tuvo acceso a la cartografía del proyecto SIGMA, esta cuenca se trabajó con la cartografía de Planeación Municipal, la cual es menos detallada y por lo tanto el modelo de elevación digital es menos preciso que para las demás cuencas. El resultado del proceso para la obtención del mapa de amenaza por inundación es por lo tanto de una calidad más baja que para las demás cuencas y eso se deja ver en algunas zonas inundables de la parte rural de la quebrada que no quedaron bien representadas.

En este trabajo se presentan aforos de las estaciones de medición de caudal. Es importante recordar que en este trabajo sólo se presentan estos primeros puntos de la curva de gastos, la cual se debe seguir construyendo haciendo aforos en las estaciones cada dos meses, para obtener puntos en diferentes niveles de agua y establecer una relación clara nivel vs caudal.



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De una revisión de los resultados obtenidos aplicando el modelo hidrológico utilizado en la elaboración de mapas de amenazas por inundación, con los registros fotográficos y los reportes de prensa del evento del 16 de septiembre de 1988, se puede concluir que el modelo se acerca a la realidad en los sectores en donde no exista taponamiento del cauce debido al transporte de sedimentos y escombros en eventos de crecientes.

Es necesario tener en cuenta el transporte de sedimentos en el modelo hidrológico aplicado, puesto que en la mayor parte de las crecientes, el desbordamiento de las quebradas se debe al taponamiento del cauce debido a la depositación de sedimentos en obras hidráulicas. Los escombros y basuras arrojados a los cauces de las quebradas aumentan el riesgo de taponamiento, por lo cual deben mantenerse los cauces limpios y efectuar un monitoreo constante de sitios en los cuales exista riesgo de deslizamientos y socavación del cauce que puedan taponar la quebrada.

Es necesario aplicar otros modelos hidrológicos distribuidos que tengan en cuenta el transito del agua a través de las cuencas, si se quiere implementar un modelamiento en tiempo real del comportamiento hidrológico de los cauces.

Para que el modelamiento hidráulico sea más refinado es necesario levantar más secciones transversales al cauce de las quebradas y entrarle datos de caudal y niveles de agua a medida que se avance en el monitoreo hidrológico de las cuencas.

Hasta el momento no es posible implementar un sistema de alarmas efectivo puesto que no se cuenta con información derivada de la medición de lluvias y caudales que permitan validar el modelo. No se conocen valores umbrales de lluvias (intensidad y duración) que generen desbordamientos de quebradas y solo a partir del registro de las inundaciones ocurridas en septiembre de 1988 y analizada en la presente investigación, no es posible sacar conclusiones acertadas.



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Anexo

Anexos. Se presentan a continuación los resultados obtenidos para cada cuenca de los análisis cartográficos, los mapas temáticos trabajados para la modelación hidrológica y los mapas preliminares de amenazas. Además se incluye una breve reseña de las características principales de cada cuenca, profundizando en los usos actuales del suelo. Un análisis de la distribución espacial de los usos del suelo es importante puesto que el cambio en dichos usos permitirá en un futuro la disminución de las zonas de amenaza por inundación, específicamente, el cambio de las amplias zonas que en la actualidad se encuentran en pastos por bosques. Dicho cambio disminuirá los coeficientes de escorrentía con la consecuente disminución de caudales máximos instantáneos. De cada cuenca se presenta un anexo que contiene:

Breve descripción de aspectos geomorfológicos, ubicación, limites y generalidades.

Modelo de elevación digital.

Curva hipsométrica de la cuenca.

Números de orden, según Strahler y Shreve.

Histograma de pendientes.

Mapa de pendientes.

Mapa de formaciones superficiales.

Distribución espacial de usos del suelo.

Mapa de usos del suelo.

Mapa de zonas generadoras de escorrentía.

Mapas preliminares de amenazas, tanto a escala general (1:10,000) como a escala de detalle (1:2,000 y 1:5,000).

Adicionalmente se incluye un anexo digital con el registro fotográfico de las cuencas, las secciones transversales con sus respectivas fotografías, los mapas temáticos y de amenazas en archivo digital, y los resultados de los ensayos efectuados con el simulador de lluvias.



Anexo

1. Cuenca de la quebrada Doña Maria.

Limita por el norte con la cuenca de la quebrada San Francisco, por el oriente con las cuencas de las quebradas La Hueso, La Picacha, Altavista, Jabalcona, por el sur con la cuenca de la quebrada Grande y por el occidente con las cuencas de las quebradas la Frisola y La Sucia. Hacia el sur del Cerro del Padre Amaya nacen dos afluentes de la quebrada Doña María: quebrada La Frisola en la cota 2905 msnm y la quebrada Los Vallados en la cota 2590 msnm y a partir de la confluencia de estas en la cota 2240 msnm, toma el nombre de quebrada Doña María. Desemboca en el río Medellín en la cota 1522 msnm luego de un recorrido de 22.1 Km. El área total de la cuenca es de 72.6 Km2, con un total de 48 microcuencas en la margen derecha y 43 microcuencas en la margen izquierda. La cuenca de la quebrada Doña María en su parte alta comprende desde el corregimiento de San Antonio de Prado hasta su nacimiento. Se caracteriza por presentar en ambos márgenes escarpes prominentes, alineamientos de facetas triangulares, colinas aisladas y peldaños. Como unidades geomorfológicas predominantes están las vertientes derivadas de roca saprolitizada, donde se evidencian procesos erosivos como deslizamientos activos y coronas de antiguos deslizamientos. La vegetación corresponde casi exclusivamente a reforestación con pinos Pátula y Ciprés, en el resto predominan los pastos dedicados a la ganadería, en su mayoría pastos de corte. La parte media corresponde en general a una topografía inclinada con la presencia de escarpes hacia la margen izquierda, en donde se destacan cuchillas con dirección E - W y N - W caracterizada por las formas onduladas y relativamente planas en los cerros. Otros rasgos geomorfológicos son la presencia de cerros redondeados asociados a silletas y en algunos casos a facetas triangulares, colinas saprolitizadas aisladas, peldaños (Toro y Velásquez, 1984). Se mencionan además los numerosos depósitos de flujos de lodo y fenómenos tales como reptación y deslizamientos. En los escarpes rocosos subverticales se conservan vestigios de bosque primario. En las zonas con pendientes más suaves se reporta siembra de pinos Pátula y Ciprés y cultivos de tomate de árbol, hortalizas, plátano y café caturro en parcelas de poca extensión además de zonas dedicadas al pastoreo. La parte baja de la cuenca comprende entre la desembocadura de la quebrada en el río Medellín hasta los límites de la Cervecería Unión e incluye la llanura aluvial formada por varios niveles de terrazas. Todo el municipio de Itagüí se encuentra en el cono de deyección de la quebrada Doña María en donde se reportan numerosos eventos torrenciales con daños que afectan la población asentada cerca al cauce.



Anexo

Curva hipsométrica. Cuenca de la quebrada Doña María.

Histograma de pendientes. Cuenca de la quebrada Doña María.



Anexo

Distribución espacial de los usos del suelo actuales. Cuenca de la quebrada Doña María.



Anexo

2. Cuenca de la quebrada Altavista.

La cuenca de la quebrada Altavista, limita por el norte con la cuenca de La Picacha, por el sur con la cuenca de La Guayabala, por el occidente con la cuenca de la quebrada Doña María y por el oriente con el río Medellín. Posee en su cabecera dos ramales: quebrada Barcino, que nace en las estribaciones del Alto El Encanto a 2340 msnm, con una longitud de 2.7 Km y quebrada Buga, con nacimiento en el cerro El Barcino en la cota 2270 msnm con una longitud de 2.4 Km; ambas quebradas confluyen en la cota 1720 msnm donde toman el nombre de quebrada Altavista, y luego de 7.2 Km tributa sus aguas al río Medellín en la cota 1475 msnm, al pie del cerro Nutibara. Son peculiares los drenajes largos en su margen derecha, con un patrón de drenaje subparalelo dendrítico controlado por el diaclasamiento con sentido NS y NE. En su margen izquierda, la quebrada Santa Rita es el único drenaje largo. La parte alta de la cuenca se caracteriza por su relieve escarpado, con pendientes comprendidas entre 30% y 60% de inclinación; se presenta un cañón profundo, con vertientes en donde se observan cicatrices de deslizamientos antiguos y activos. En la parte media predomina un relieve inclinado a moderadamente inclinado con pendientes entre 15% y 30% de inclinación, el cañón se profundiza aunque hay tramos donde el cauce ha formado terrazas a diferentes niveles. Las vertientes están desarrolladas sobre saprolito del Batolito de Altavista con la presencia de algunos depósitos derivados de flujos sin diferenciar. La parte baja comprende la zona plana correspondiente a la llanura aluvial, donde las pendientes varían entre 3% y 15%. Se observan zonas en rastrojo alto y bajo a lo largo del cauce, café asociado con plátano como sombrío y a plena exposición en sentido de la pendiente y hortalizas y pastos de corte en áreas pequeñas. En su parte alta se han desarrollado pequeños núcleos urbanos, correspondientes a viviendas de interés social que están en proceso de densificación. En la parte media predominan las canteras, las ladrilleras y los tejares, que deterioran las terrazas debido a la explotación de material con técnicas artesanales y rudimentarias. Los procesos erosivos predominantes son los deslizamientos en roca saprolitizada con formación de surcos y cárcavas y erosión fluvial por socavación en las márgenes.



Anexo

Curva hipsométrica. Cuenca de la quebrada Altavista.

Histograma de pendientes. Cuenca de la quebrada Altavista.



Anexo

Distribución espacial de los usos del suelo actuales. Cuenca de la quebrada Altavista.



Anexo

3. Cuenca de la quebrada La Picacha.

Limita al norte con la cuenca de la quebrada La Hueso, la cuenca de la quebrada La Altavista al sur, la cuenca de la quebrada Doña María al occidente y el río Medellín al Oriente. En la zona rural se denomina quebrada Aguas Frías, cuyo nacimiento se encuentra en la divisoria de aguas de la cuchilla El Barcino en la cota 2424 msnm y desemboca en el río Medellín en la cota 1464 msnm luego de un recorrido de 10.88 Km, siguiendo la dirección de diaclasamiento este - oeste del Batolito de Altavista. Como características se destacan los afluentes de poca longitud con dirección predominante noreste y sureste, el patrón de drenaje subparalelo con poca disección, la presencia de una corriente sinuosa a lo largo de su recorrido, lecho pedregoso, cauce angosto y aguas cristalinas de buen caudal. En la parte alta el cañón es profundo en forma de "V" con vertientes empinadas que evidencian pequeños derrumbes y degradación del suelo, con sobrepastoreo intenso en las laderas de la margen derecha; otros usos son las plantaciones de café sin sombrío y asociadas con plátano. En la cabecera y a lo largo del lecho se observan rastrojos altos y explotación de material pétreo en el lecho. Como procesos erosivos se mencionan surcos y cárcavas en cortes de talud y pequeñas corrientes de agua y socavación lateral del cauce. La parte media de la quebrada está dominada por asentamientos subnormales con viviendas en zona de retiro y por explotaciones antitécnicas de material pétreo. El cauce presenta depósitos torrenciales con gran cantidad de bloques subangulares que evidencian avenidas fuertes. Un punto crítico es el sector denominado La Isla, donde el cauce es estrecho y en épocas de lluvia la quebrada se desborda e inunda las viviendas asentadas junto a ella. La parte baja se encuentra modificada a través de canalizaciones y está urbanizada en su totalidad.



Anexo

Curva hipsométrica. Cuenca de la quebrada La Picacha.

Histograma de pendientes. Cuenca de la quebrada La Picacha.



Anexo

Distribución espacial de los usos del suelo actuales. Cuenca de la quebrada La Picacha.



Anexo

4. Cuenca de la quebrada Ana Díaz.

Limita al norte con la cuenca de la quebrada La Hueso, al sur con la cuenca de la quebrada La Picacha, al occidente con la cuenca de la quebrada Doña María y por el oriente con el río Medellín. Su nacimiento se ubica en el Alto El Astillero en la cota 2485 msnm y luego de un recorrido de 9.275 Km se une a la quebrada La Hueso en la cota 1480 msnm. Se caracteriza por su recorrido sinuoso y por sus afluentes cortos.

Al delimitar la divisoria de aguas y según observaciones de fotografías aéreas de

1943, se encontró que la quebrada La Magdalena que corre por la margen

derecha, corresponde posiblemente a un antiguo cauce de la Ana Díaz. En su parte alta presenta un cañón profundo en forma de "V", cauce rectilíneo desde el nacimiento hasta la confluencia con la quebrada Romedala, que sugiere un control estructural, posiblemente un lineamiento el cual se prolongaría en la cuenca de la quebrada La Hueso a lo largo de su afluente El Salado. El cauce se encuentra sobre buena cobertura vegetal de regeneración espontánea, el lecho es pedregoso con aguas limpias. Se observa sobrepastoreo intenso en laderas y plantaciones de ciprés sobre cuchillas y laderas. La parte media se considera encañonada en forma de “V”, profunda y angosta. El uso de la tierra se encuentra con cultivos diversificados en pequeñas parcelas de café, maíz, tomate, col, cebolla junca y fríjol. La parte baja corresponde al abanico aluvial, cuya pendiente va disminuyendo a medida que este se proyecta hacia el noroeste en la confluencia con la quebrada La Hueso. Debido al proceso de urbanización es difícil definir el límite inferior del abanico, puesto que se confunde con los depósitos aluviales del río Medellín. Por la magnitud del abanico se infiere que la torrencialidad y el poder erosivo de esta quebrada ha sido mayor que el de la quebrada La Hueso.



Anexo

Curva hipsométrica. Cuenca de la quebrada Ana Díaz.

Histograma de pendientes. Cuenca de la quebrada Ana Díaz.



Anexo

Distribución espacial de los usos del suelo actuales. Cuenca de la quebrada Ana Díaz.



Anexo

5. Cuenca de la quebrada La Hueso.

Limita al norte con la cuenca de la quebrada La Iguaná, al sur con la cuenca de la quebrada Ana Díaz, al occidente con la cuenca de la quebrada Doña María y al oriente con el río Medellín. Nace en las estribaciones de la cuchilla Los Arrayanes en la cota 2132 msnm y luego de un recorrido de 8.18 Km en dirección oeste - este desemboca en el río Medellín en la cota 1462 msnm. Presenta un patrón de drenaje subdendrítico. Su parte alta se caracteriza por poseer un cauce rectilíneo de cañón poco profundo, el cual se va profundizando en forma de “V”, volviéndose además sinuoso a medida que desciende. Presenta vertientes escarpadas con pendientes de hasta el 60% que se suavizan en las demás zonas hasta el 30%. Se anota la presencia de socavación en las márgenes desestabilizando taludes. Los retiros de la quebrada se encuentran cubiertos por vegetación de rastrojo altos y bajos.

La parte media que comprende las cotas 1700 y 1500 msnm posee pendientes

variables entre el 30 y el 15%. Las vertientes se han desarrollado sobre el Batolito

de Altavista altamente fracturado y meteorizado, lo que permite su utilización

como material pétreo. Se reportan movimientos en masa debido a la alta

meteorización y sobresaturación de agua en los suelos, reptación, deslizamientos

antiguos y recientes causados principalmente por acción antrópica (canteras y

banqueos). Se encuentra modificada debido a la urbanización intensa que

incluso ha invadido sus retiros en ciertas zonas. En la parte baja se localizan los depósitos aluviales y posee rangos de pendiente entre 3% y 15%, allí el desarrollo ha transformado por completo los cauces naturales por medio de canalizaciones. Se reseñan dos eventos recientes con altos efectos negativos: el 20 de octubre de 1984, cuando se presentó un fuerte aguacero con una duración de 90 minutos y una precipitación de 56 mm, según los datos de la estación pluviométrica de San Cristóbal perteneciente a Empresas Públicas de Medellín. La gran cantidad de escorrentía generada sobrepasó la capacidad de las obras de canalización, causando desbordamiento y daños en los barrios Santa Lucía, Antonio Nariño y El Socorro (Correa, Montoya y otros, 1984, citados por Mi Río, Municipio de Medellín, PNUD, 1995). Posteriormente, hubo otro evento de grandes proporciones donde se desbordaron varias quebradas de la zona suroccidental en el año de 1988.



Anexo

Curva hipsométrica. Cuenca de la quebrada La Hueso.

Histograma de pendientes. Cuenca de la quebrada La Hueso.



Anexo

Distribución espacial de los usos del suelo actuales. Cuenca de la quebrada La Hueso.



Anexo

6. Cuenca de la quebrada La Iguaná.

Limita al norte con la cuenca de la quebrada Malpaso, al noroccidente con la Cuchilla Las Baldías, divisoria de aguas con la cuenca de la quebrada El Hato, al occidente con la divisoria de aguas de la cordillera El Frisol y la quebrada La Frisola hasta el Cerro del Padre Amaya, al suroccidente con el Alto El Astillero y la Cuchilla Los Arrayanes, por el sur con la cuenca de la quebrada La Hueso y por el oriente con el río Medellín. Nace en la cota 2555 msnm en las estribaciones del Alto de las Repetidoras, después de recorrer en dirección SE un tramo aproximado de 5.6 Km cambia a dirección WE hasta su desembocadura en el río Medellín, en la cota 1457 msnm. Posee una longitud total de 15.29 Km y un área de 51.22 Km2, de los cuales 6.35 Km2 corresponden a la zona urbana y 44.87 Km2 a la zona rural. Su parte alta se encuentra por encima de la cota 1820 msnm, se caracteriza por estar constituida en la vertiente sur por esquistos en su parte más alta con alto grado de fracturamiento y meteorización, con zonas escarpadas y con alta susceptibilidad a la erosión donde son frecuentes los movimientos en masa. Se destacan los escarpes del Cerro del Padre Amaya y el Boquerón. El resto de la vertiente sur se encuentra sobre saprolito del Batolito de Altavista, con dedicación al pastoreo, cultivos de flores y hortalizas. Por su parte, la vertiente norte está desarrollada sobre saprolito de anfibolita en superficies inclinadas y onduladas, como el Alto de Yolombó en la Cuchilla Las Baldías. Se reportan numerosos deslizamientos superficiales y profundos, flujos, caídas de roca, reptación, surcos y cárcavas. La parte media se ubica entre las cotas 1515 msnm y 1820 msnm. La vertiente norte está desarrollada sobre extensos depósitos de vertiente compuestos en esencia por anfibolita saprolitizada, presentando superficies cóncavas y convexas, debido a intercalaciones de flujos de lodos y escombros. La vertiente sur se desarrolla sobre un cuerpo neisico altamente meteorizado. La parte baja se define desde la cota 1515 msnm hasta la desembocadura. Esta zona completamente urbanizada, corresponde a un abanico aluvial en donde se destacan dos cerros denominados Indural y El Volador. Sobre esta zona se han presentado eventos de inundación de alta magnitud.



Anexo

Curva hipsométrica. Cuenca de la quebrada La Iguaná.

Histograma de pendientes. Cuenca de la quebrada La Iguaná.



Anexo

Distribución espacial de los usos del suelo actuales. Cuenca de la quebrada La Iguaná.



Anexo

7. Cuenca de la quebrada La Quintana.

Limita al sur y occidente con las cuencas de las quebradas Malpaso y El Malpaso, la cuenca de la quebrada La Cantera al norte y el río Medellín por el oriente. Nace en la cota 2207 msnm y desemboca en la cota 1445 msnm. La cuenca se caracteriza por poseer un patrón de drenaje subparalelo con tendencia noreste y su forma rectangular – oblonga. En la parte alta de la cuenca el cañón es profundo y el lecho pedregoso y a medida que desciende el cauce se profundiza más. La quebrada muestra terrazas sobre ambas márgenes que han sido cubiertas con escombros. En la parte media y baja el lecho se hace pedregoso, el cauce se amplia y sus retiros se estrechan debido a la invasión por construcciones. Casi la totalidad del área de la cuenca se encuentra urbanizada, predominando los asentamientos subnormales.



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Curva hipsométrica. Cuenca de la quebrada La Quintana.

Histograma de pendientes. Cuenca de la quebrada La Quintana.



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Distribución espacial de los usos del suelo actuales. Cuenca de la quebrada La Quintana.



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8. Cuenca de la quebrada Minitas.

Se encuentra enmarcada entre las cuencas de las quebradas La María al sur y la Velásquez al norte. Su nacimiento se encuentra en la cota 2146 msnm y desemboca en el río Medellín en la cota 1446 msnm. La cuenca tiene una forma alargada que evidencia una expresión morfológica en una serie de ondulaciones que constituyen una pendiente homogénea debido al material de depósitos de flujos saprolitizados que conforman la zona. La mayor parte de su recorrido lo hace en zona urbana por lo cual se encuentra altamente intervenida. La parte alta se caracteriza por la presencia de lecho pedregoso en los tramos naturales con inestabilidad y socavación. En la parte media su cauce ha sido modificado y transformado por medio de coberturas y en la parte baja se encuentra un tramo natural con retiros conservados en pastos y rastrojos bajos, de cauce estrecho y aguas muy contaminadas.



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Curva hipsométrica. Cuenca de la quebrada Minitas.

Histograma de pendientes. Cuenca de la quebrada Minitas.



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Distribución espacial de los usos del suelo actuales. Cuenca de la quebrada Minitas.



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9. Cuenca de la quebrada Santa Elena.

Limita al norte con las cuencas de las quebradas El Ahorcado, El Molino y parte de Piedras Blancas, por el oriente con la cuchilla La Gulupera, al Sur con el municipio de Envigado y las cuencas de las quebradas La Presidente y La Poblada y al occidente con el río Medellín. El área total de la cuenca es de 45.61 Km2 de los cuales el 74.95% pertenece a zona rural y el 25.05% a zona urbana, el estudio hidrológico de la cuenca se efectuó hasta la entrada del box-coulvert, uno metros arriba del teatro Pablo Tobón Uribe, con un área de captación de 39.46 Km2. Nace en el Cerro Espíritu Santo en la cota 2620 msnm y luego de un recorrido de 14.43 Km desemboca en el río Medellín en la cota 1457 msnm. La longitud del cauce hasta la entrada del box-coulvert es de 12.08 Km a una altura de 1505 msnm. La parte alta entre las cotas 2720 y 2250 corresponde a una antigua superficie de erosión y posee pendientes entre el 20% y el 30%. Las rocas presentan una cobertura de cenizas volcánicas de un poco más de un metro de espesor con excepción de áreas mínimas afectadas por erosión intensa debido a procesos antrópicos. La topografía es suave y los cañones de la quebrada son uniformes. En general, la tasa de erosión es baja (James, 1988). La parte media alta corresponde a la franja ubicada entre las cotas 2520 msnm y 1850 msnm, caracterizada por ser la parte más abrupta de la cuenca. Esta zona escarpada presenta planos de diaclasamiento muy marcado sobre la vertiente norte que favorecen los desplazamientos de bloques de roca, la anfibolita se presenta como una roca fresca recubierta por cuñas de depósitos de ladera. La vertiente sur presenta serpentinita de grano fino y fracturada. Las altas pendientes y precipitación favorecen los eventos torrenciales y facilitan los movimientos en masa tales como los deslizamientos rotacionales y las caídas de bloques de roca. La parte media abarca desde la cota 1850 msnm hasta la 1540 msnm con un rango de pendiente entre 30% y 40%. Sobre las laderas se localizan numerosos depósitos de flujos de lodo y escombros meteorizados que llegan hasta los depósitos aluviales y torrenciales. Se reporta reptación y movimientos de masa debido a la filtración de aguas subterráneas. La parte baja comprende desde la cota 1540 msnm hasta la desembocadura de la Santa Elena en el río Medellín. Existen depósitos torrenciales, terrazas y conos de deyección. Esta zona completamente urbanizada a perdido su expresión geomorfológica debido a la acción antrópica.



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Curva hipsométrica. Cuenca de la quebrada Santa Elena.

Histograma de pendientes. Cuenca de la quebrada Santa Elena.



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Distribución espacial de los usos del suelo actuales. Cuenca de la quebrada Santa Elena.



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10. Cuenca de la quebrada La Castro.

Este afluente de la quebrada Santa Elena presenta una longitud de 4.24 Km. Su cuenca hace parte de la vereda Piedras Blancas y los barrios Las Estancias y Villa Tina, comprendiendo un área de 4.22 Km2, de los cuales 4.06 Km2 pertenecen a zona rural y 0.16 Km2 a zona urbana. Nace en la cota 2500 msnm y desemboca en la cota 1630 msnm. En su parte alta presenta un cañón amplio con pendientes mayores al 60% sobre roca fracturada, el lecho es pedregoso con rocas angulares. En este sector predomina la vegetación arbustiva de rastrojo bajo con tramos reforestados. En la parte media el cañón es profundo e incisado de taludes casi verticales, los cuales forman una garganta angosta. Sus retiros se encuentran con frecuencia invadidos por asentamientos subnormales. En la parte baja el cañón se amplia un poco entre cerros de poca altura, al mismo tiempo que desarrolla pequeñas terrazas donde se estableció el barrio Las Estancias.



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Curva hipsométrica. Cuenca de la quebrada La Castro.

Histograma de pendientes. Cuenca de la quebrada La Castro.



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Distribución espacial de los usos del suelo actuales. Cuenca de la quebrada La Castro.

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