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IV Jornadas de Ingeniería del Agua La precipitación y los procesos erosivos Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015
M.3.
Simulación hidrológica utilizando
precipitación asociada a eventos de tipo ciclónico:
Caso de estudio cuenca del río La Silla.
V. H. Guerra Cobián, A. L. Ferriño Fierro, R. A. Cavazos González Universidad Autónoma de Nuevo León. Facultad de Ingeniería Civil.
Centro Internacional del Agua, Departamento de Hidráulica.
Av. Universidad s/n, Ciudad Universitaria, San Nicolás de Los Garza, Nuevo León, México.
1. Introducción
México es uno de los países del mundo más afectados por ciclones tropicales y es quizá la
única región que puede recibir efectos de ciclones provenientes de dos zonas ciclógenas
completamente independientes, la del Atlántico Norte y la del Pacífico Nororiental
(Rosengaus, 2002). Las precipitaciones que acompañan a los huracanes son
extremadamente variables y difíciles de predecir. Los daños ocasionados, a centros de
población, asociados a eventos ciclónicos como los huracanes, se han visto incrementados
tanto en intensidad como en ocurrencia en los últimos años. En particular, el Área
Metropolitana de Monterrey (AMM) en el Estado de Nuevo León (México) a través de su
historia se ha visto afectada por fenómenos meteorológicos (tabla 1). Específicamente, los
eventos hidrometeorológicos que han ocurrido en los últimos cien años son los que se
tienen registros o evidencias, ya sea fotográficas o de los cronistas del AMM. Por ejemplo, el
huracán Beula de 1967 fue el primero de los que se conocen con nombre, el huracán Gilbert
de 1988 rompió todos los paradigmas anteriores y dio pie a que se organizara formalmente
Protección Civil del Estado. Gilbert era el referente en cuanto a la magnitud y daños
ocasionados por las lluvias, y aunque en 2005 se presentó el huracán Emily, no es sino hasta
el 2010 con el huracán Alex que se observó la magnitud destructiva que tienen estos
fenómenos.
Tabla 1. Huracanes que han azotado el Área Metropolitana de Monterrey.
Huracán Año
Categoría
(Saffir-
Simpson)
Vientos
máximos
(km/h)
Presión
atmosférica
(hPa)
Beulah 1967 5 260 923 hPa
Gilbert 1988 5 295 888 hPa
Emily 2005 5 260 929 hPa
Alex 2010 2 175 946 hPa
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El principal impacto del huracán Alex fue la precipitación torrencial que se registró en toda la
región. El pluviómetro en la estación Estanzuela reportó 890 mm, la estación en San Pedro
Garza García registró 588 mm, mientras que la estación en Santa Catarina registró 592 mm.
La Comisión Nacional del Agua (CONAGUA, 2010) indicó que los acumulados de lluvia que
dejó la tormenta excedieron largamente los producidos por el huracán Gilbert en 1988,
cuando sólo cayeron 280 mm en el AMM.
Por otro lado, debido a la falta de medición de la escorrentía en los principales ríos y arroyos
del AMM, el presente trabajo muestra la modelación hidrológica distribuida efectuada a
partir de los datos de las lluvias durante los huracanes Emily y Alex en el río “La Silla”. Se
pretende reproducir el gasto pico de la avenida para comprender la magnitud de los daños
ocasionados, y poder implementar a corto plazo medidas estructurales para evitar daños
cuando se presente otra avenida de igual magnitud.
2. Metodología
2.1 Zona de estudio
La cuenca del río La Silla está localizada dentro del Área Metropolitana de Monterrey
(AMM) y es una de las principales cuencas urbanas, el área de drenaje abarca 155.3 km2.
El río principal nace en la Sierra Madre Oriental en la zona del cañón del Huajuco y tiene
una longitud de 35 km, fluye de Sur a Norte hasta la comunidad “Los Lermas” para
cambiar de dirección hacia el Este. Cruza por los municipios de Monterrey, Guadalupe y
Benito Juárez, donde finalmente se une al río Santa Catarina por la margen derecha (figura
1). La importancia de esta cuenca radica, en que, por ambas márgenes existe
infraestructura urbana (casas, vialidades, redes de agua potable y drenaje sanitario, etc.),
y las lluvias debidas al paso del huracán Alex por el AMM en 2010, ocasionaron erosión y
socavación en ambas márgenes y en el fondo del río, lo cual generó grandes pérdidas y
daños materiales.
Figura 1. Principal red hidrográfica del río La Silla en su cruce por el AMM.
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2.1 Descripción del modelo hidrológico
La modelación de la cuenca del río La Silla se llevó a cabo mediante la aplicación del modelo
CEQUEAU (Morin et al., 1998), el cual es un modelo hidrológico de parámetros distribuidos.
El modelo hidrológico está constituido básicamente por el módulo de preparación de datos
fisiográficos, el módulo de preparación de datos hidrometeorológicos y el módulo de
simulación. Los datos de entrada al módulo de preparación de datos fisiográficos consisten
de los datos generales de los cuadros (información de la red de drenaje, ocupación del suelo
y altitud de los cuadros que discretizan la cuenca en estudio), los datos de la superficie de la
cuenca, así como la ubicación de las estaciones hidrométricas consideradas en la simulación.
El módulo de preparación de datos hidrometeorológicos contiene el periodo de preparación
de los datos, el número de estaciones consideradas, el nombre de los archivos que
contienen la información y la ruta de acceso a estos archivos. El periodo de información
disponible en la base de datos hidrometeorológica debe ser igual o menor que el período de
preparación. Por último, el módulo de simulación contiene el archivo de los parámetros del
modelo que gobiernan el fenómeno lluvia-escurrimiento.
Para obtener los caudales a la salida de la cuenca, el modelo efectúa la simulación tomando
en cuenta tres recipientes: el recipiente lagos y ciénagas, el recipiente suelo y el recipiente
subsuelo (figura 2). Consta básicamente de dos partes que definen la forma en que se
obtiene el flujo o caudal. La primera parte es la función de producción que considera el
movimiento vertical del agua. Esta función determina la cantidad de agua en los recipientes,
la cual puede provenir de la lluvia o de la fusión de nieve (esta operación se realiza para cada
cuadro e intervalo de tiempo).
Figura 2. Modelo conceptual de tres recipientes.
Los escurrimientos superficial y retardado dependen del nivel del agua en el recipiente
suelo, de los coeficientes conceptuales de vaciado y de las propias alturas de vaciado de
dicho recipiente. De esta forma la escorrentía superficial se efectúa cuando la altura del agua
disponible en este recipiente es superior al umbral del orificio de vaciado, o de otra forma,
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cuando el volumen de agua infiltrada es mayor que el déficit de humedad del suelo. La
escorrentía superficial y subsuperficial generada en cada elemento se suman a la escorrentía
que se generan en las superficies impermeables, para dar lugar a una parte de la lámina de
agua finalmente disponible para su incorporación a los cauces. Además, se tiene que tomar
en cuenta el agua que potencialmente puede infiltrarse si existe un acuífero subyacente, y
que se va a infiltrar a través de la zona no saturada, alimentando directamente a un segundo
recipiente (acuífero). Las salidas o aportaciones generadas por dicho recipiente dependerán
del nivel piezométrico en el acuífero, de los coeficientes de vaciado y de dos alturas de
vaciado definidas para diferentes situaciones hidráulicas. Estas aportaciones se suman a las
láminas de agua precedentes, determinando así, la cantidad total de agua disponible en la
cuenca para el escurrimiento en los cauces.
La segunda parte definida como función de transferencia, es la encargada de efectuar la
transferencia o movimiento del agua cuadro por cuadro. El volumen de agua finalmente
disponible en cada elemento parcial se obtiene multiplicando la lámina de agua obtenida de
la función de producción, por la superficie del elemento parcial considerado. Este volumen
se suma a los volúmenes entrantes a este elemento, procedentes de los elementos parciales
vecinos (figura 3).
Figura 3. Función de transferencia cuadro por cuadro.
2. 2 Información utilizada en la modelación
La modelación hidrológica de la cuenca del río La Silla se llevó a cabo utilizando datos de
precipitación diaria de cuatro estaciones climatológicas (tabla 2). La selección de las
estaciones se realizó con base en un análisis de disponibilidad de información. Se preparó
para cada estación un archivo con los datos diarios de precipitación, temperatura máxima y
mínima de acuerdo al formato requerido por el modelo hidrológico.
Las bases de datos utilizadas en la preparación de los archivos hidroclimatológicos fueron: El
Banco Nacional de Datos de Aguas Superficiales (BANDAS, 2015), el Extractor Rápido de
Información Climatológica ERIC III (IMTA, 2013).
Producciónsobre 1
60% 40%
Producciónsobre 2
Producciónsobre 3
Producciónsobre 4
75% 25%
100% 75%
25%
100%
40%
60%
Función de
TransferenciaA
B
A
A
A
B
QA1 QB1
QA2 QA4 QB4
QA3
A
A
A
A
B
B
B
A
1 2
3 4
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Clave Estación Municipio Longitud (Oeste)
Latitud (Norte)
Altitud (msnm)
19015 El Cerrito Santiago 100.1933 25.5100 510
19052 Monterrey (OBS) Monterrey 100.3047 25.7336 515
19061 Topo Chico San Nicolás 100.2669 25.6825 495
19069 La Boca Santiago 100.1289 25.4294 720
Tabla 2. Localización de las estaciones climatológicas utilizadas en la modelación.
Con respecto a la medición de los escurrimientos en el río La Silla, los gastos observados se
midieron en la estación hidrométrica 24387 Los Lermas, la cual operó de 1973 a 1994. Los
escurrimientos asociados al huracán Gilbert de 1988 se registraron en la estación, siendo el
máximo observado de 238.65 m3/s. Además, se cuenta con los hidrogramas de las avenidas
de 1973, 1974, 1976 y 1986 que no fueron producidos directamente por huracanes.
Por otro lado, en la modelación se utilizó el SIG Idrisi (Eastman, 2012) para la obtención de
los parámetros fisiográficos de la cuenca, la discretización de la misma, el sentido de los
flujos en cada cuadro, así como los archivos requeridos por el modelo CEQUEAU. Estos se
generaron mediante la aplicación de un módulo hidrogeomático que trabaja al interior del
SIG Idrisi (Guerra-Cobián, 2007). Se utilizó un Modelo Digital de Elevación (MDE) de la zona
en estudio, de 25 metros de lado, el cual fue construido por interferometría de radar
(http://seamless.usgs.gov/). La figura 4 muestra el MDE empleado, la red hidrográfica
principal, el área de la cuenca, así como la ubicación en la cuadrícula con coordenadas UTM-
14.
Figura 4. MDE de la zona de estudio, se observa el área de la cuenca del río La Silla y la red hidrográfica.
Una de las variables que el modelo hidrológico toma en cuenta es el área de
bosques. La figura 5 muestra las áreas de cobertura de bosque, en porcentaje,
con respecto a cada uno de los cuadros que discretizan la cuenca. La información
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de la cobertura boscosa se tomó del mapa de uso de suelo de la Comisión
Nacional para el Uso y Conocimiento de la Biodiversidad (CONABIO, 2015).
Figura 5. Cuenca del río La Silla dsicretizada.
La función de transferencia utiliza las elevaciones de cada cuadro, con respecto al
nivel medio del mar, para el movimiento del agua a través de cada cuadro que
discretiza la cuenca (figura 3). La figura 6 presenta la distribución de elevaciones
de cada cuadro en la cuenca del río La Silla.
Figura 6. Cuenca del río La Silla dsicretizada.
Finalmente, la discretización de la cuenca se llevó a cabo dividiéndola en una malla de
cuadros de 500 m por lado. La figura 7 muestra la cuenca discretizada, así como los sentidos
del flujo en cada elemento.
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Figura 7. Cuenca del río La Silla dsicretizada.
3. Resultados y discusión
3.1 Datos hidroclimatológicos
Los datos de la precipitación registrada en las estaciones utilizadas, y que se presentó en la
zona de la cuenca del río La Silla durante el paso del huracán Alex, se muestra en la figura 8.
Se observa que la mayor parte de la precipitación ocurrió los días 1 y 2 de julio de 2010. La
estación climatológica 19015 El Cerrito registró 315.0 mm y la estación 19069 La Boca
registró 389.3 mm. El promedio anual en el AMM es de 720 mm, y la precipitación
acumulada durante el huracán Alex fue de 813.3 mm en la estación 19015 El Cerrito y 859.0
mm en la estación 19069 La Boca.
Figura 8. Precipitación registrada en las estaciones utilizadas en la modelación durante el huracán Alex.
Flujo
Parteaguas
Cuadro de
discretización
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La figura 9 muestra los gastos máximos anuales durante el período de registro de la estación
hidrométrica 24387 Los Lermas. Se observa que el gasto máximo registrado es de 238.6 m3/s
y corresponde a la avenida que produjo el huracán Gilbert en septiembre de 1988. El
promedio de los gastos máximos registrados es de 68.3 m3/s, y el mínimo de los máximos
fue 11.0 m3/s.
Figura 9. Gastos máximos en la estación 24387 Los Lermas en el período de 1973 a 1994.
3.2 Resultados de la calibración y validación del modelo
La calibración del modelo se realizó ajustando los principales parámetros que gobiernan el
fenómeno lluvia-escurrimiento utilizando la técnica prueba-error, y visual observando los
hidrogramas tanto medido como simulado. El modelo hidrológico se calibró utilizando los
hidrogramas de las avenidas máximas de los años 1973, 1974 y 1976; y en la validación se
emplearon los hidrogramas de las avenidas máximas de los años 1986 y 1988 (huracán
Gilbert). Para verificar la calidad de los resultados, se emplearon como funciones objetivo el
coeficiente de Nash (Nash y Sutcliffe, 1970) y el coeficiente de determinación R2. Los
resultados fueron ampliamente satisfactorios, debido a que se logró obtener valores del
coeficiente de Nash de 0.995 y R2 de 0.955 en la calibración, y en la validación de 0.996 y
0.985 respectivamente (tabla 3).
Cabe mencionar que el objetivo de la modelación fue reconstruir las avenidas provocadas
por las precipitaciones de los huracanes Emily y Alex, por lo que los esfuerzos de la
calibración y validación del modelo hidrológico utilizado fueron simular los “picos” de los
hidrogramas mencionados. Se observa en la figura 10 que los hidrogramas de las avenidas
simuladas reprodujeron adecuadamente los picos de los hidrogramas.
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Tabla 3. Resumen de resultados de las funciones objetivo utilizadas.
Año Periodo Coeficiente de
Nash R2
1973
Calibración
0.945 0.955
1974 0.995 0.925
1976 0.851 0.884
1986 Validación 0.996 0.861
1988 0.981 0.985
Figura 10. Hidrogramas observados y simulados en el período de calibración y validación.
3.2 Reconstrucción de gastos no aforados
La reconstrucción de las avenidas máximas asociadas a las precipitaciones de los huracanes
Emily y Alex se muestra en la figura 11. Se observa que, en el caso de las precipitaciones
producidas por el huracán Emily, el aumento en el hidrograma pasó de un gasto de
prácticamente cero el 19 de julio a 143.7 m3/s el 21 de julio; y en el caso del huracán Alex se
incrementó de cero el día 29 de junio a 436.0 m3/s el día 2 de julio. La duración de la avenida
fue de 3 días para el huracán Emily y cuatro días para el huracán Alex.
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Figura 11. Hidrogramas reconstruidos de las avenidas de los huracanes Emily y Alex.
Conclusiones
Se logró llevar a cabo la reconstrucción de los gastos no aforados en el río La Silla utilizando
el modelo hidrológico de parámetros distribuidos CEQUEAU. Actualmente, la información
hidrometeorológicos disponible en formatos digitales ayuda en la implementación de
modelos matemáticos, en especial de los modelos hidrológicos. Además, el uso de los
Sistemas de Información Geográfica (SIG) es indispensable para llevar a cabo pre procesos
requeridos en la modelación. Finalmente, el modelo hidrológico reprodujo
satisfactoriamente los hidrogramas de las avenidas producidas por los huracanes Emily y
Alex en la cuenca del río La Silla, lo cual permitirá tomar decisiones para implementar
medidas estructurales para evitar futuros daños ocasionados por huracanes.
Agradecimientos
Este trabajo fue apoyado por la CONAGUA con recursos federales en el marco del
convenio SGIH-OCRB-NL-10-IH-282-RF-CC y por el PROFOCIE-2014-19MSU0011T-18.
Referencias
BANDAS, 2015. BANCO NACIONAL DE DATOS DE AGUAS SUPERFICIALES, Comisión Nacional del
Agua, Subdirección General Técnica, Gerencia de Aguas Superficiales e Ingeniería de Ríos,
México, (http://www.conagua.gob.mx/).
CONABIO, 2015. Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad, México,
(http://www.conabio.gob.mx/).
Eastman, J. R., (2012). Idrisi 17.0 The Selva Edition. Guía para SIG y Procesamiento de
Imágenes. Clark Labs, Clark University, USA.
M.3.
ERIC III, 2013. Extractor Rápido de Información Climatológica, Secretaría del Medio Ambiente y
Recursos Naturales, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), México.
Guerra-Cobián, V. H., 2007. Análisis del efecto de discretización espacial en el modelado
hidrológico de cuencas utilizando el modelo distribuido CEQUEAU-ONU, Tesis de doctorado,
Centro Interamericano de Recursos del Agua, Universidad Autónoma del Estado de México,
231 pp.
Morin, G., Sochanski, W., Paquet, P., (1998). Le modèle de simulation de quantité CEQUEAU-
ONU, Manuel de référence. Organisation des Nations Unies et INRS-Eau, Rapport de recherche
no 519, 252 pp.
Nash, J. E., Sutcliffe, J. V., 1970. River flow forecasting through conceptual model, Journal of
Hydrology, 10, 282-290.
Rosengaus, M., 2002. Efectos destructivos de ciclones tropicales, Editorial MAPFRE, Segunda
reimpresión (patrocinada por la Comisión Nacional del Agua, México), Madrid, España. ISBN
84-7100-850-5.
M.3.