ESTUDIO BASICO PARA EL DISEÑO DE LAS OBRAS DE CONTROL Y PROTECCIÓN EN EL

MINISTERIO DE COMUNICACIONES, INFRAESTRUCTURA Y VIVIENDA

UNIDAD EJECUTORA DE CONSERVACIÓN VIAL –COVIAL-

ESTUDIO BASICO PARA EL DISEÑO DE LAS OBRAS DE CONTROL Y PROTECCIÓN EN EL

CAUCE DEL RÍO CHINAUTLA Y SU CONFLUENCIA CON EL RÍO LAS VACAS,

CHINAUTLA, GUATEMALA

Estudio realizado por:

Guatemala, octubre de 2010.

Guatemala, octubre de 2010

Señores: Construcciones y Diseño, S.A. CODISA Presente Estimados Señores: Por este medio hago entrega formal del estudio titulado “Estudio básico para el diseño de las obras de control y protección en el cauce del río Chinautla y su confuencia con el río Las Vacas, Chinautla, Guatemala”, resultado de la consultoría que fuera contratada por ustedes. Sin otro particular, me suscrito,

Atentamente,

Ing. Rolando Montenegro Betancourt

Estudio realizado por CODISA, para la ejecución de los trabajos de control y protección en la confuencia de los ríos Chinautla y Las Vacas en jurisdicción del municipio de Chinautla, Guatemala. Los estudios fueron realizados por los siguientes profesionales:

Hidrología, hidràulica, geomorfología y diseño

Ing. Rolando Montenegro Betancourt

Topografía Ing. Walter Avila

Dibujante Erick Ixcampari

CONTENIDO

1. Antecedentes .................................................................................................... 1 2. Descripción del problema, objeto de estudio .................................................... 4 3. Ubicación del area de evaluación ..................................................................... 4 4. Morfologia ......................................................................................................... 5

Caracteristicas generales del cauce de los ríos ......................................................... 5 Evaluacion morfologica ............................................................................................... 8 Origen natural ........................................................................................................... 11 Origen antropico ....................................................................................................... 11

5. Hidrologia ........................................................................................................ 15 Orden de las corrientes método strahler: .................................................................. 17 Sistema fluvial ........................................................................................................... 19 Clima ........................................................................................................................ 22 Régimen de lluvias ................................................................................................... 22 Distribución espacial de la lluvia ............................................................................... 23 Variación mensual de la lluvia .................................................................................. 23 Variación multianual de la lluvia ............................................................................... 24 Metodología de cálculo ............................................................................................ 25 Análisis de lluvias máximas ...................................................................................... 25 Lluvia máxima diaria ................................................................................................ 26 Hietograma de diseño .............................................................................................. 27 Análisis de caudales ................................................................................................. 30 Caudales medios ..................................................................................................... 30 Caudales máximos observados ............................................................................... 31 Modelo hidrológico para la cuenca ........................................................................... 31 Caudales máximos en las subcuencas .................................................................... 32

6. Geología y suelos ........................................................................................... 33 Usos del suelo .......................................................................................................... 35 Material del cauce del río .......................................................................................... 37

7. Análisis hidráulico ........................................................................................... 38 Simulación hidráulica ................................................................................................ 38 Caudales para el modelo ......................................................................................... 41 Resultados del modelo hec-ras: ............................................................................... 41 Río las vacas ........................................................................................................... 42 Río chinautla ............................................................................................................ 47 Profundidad de socavación ...................................................................................... 50 Resumen de parámetros hidráulicos ........................................................................ 55

8. Obras de control y protección propuestas ...................................................... 58 9. Estimación de costos: ..................................................................................... 66 10. Recomendaciones: ......................................................................................... 67 11. Literatura consultada ...................................................................................... 67

OBRAS DE CONTROL Y PROTECCIÓN EN EL CAUCE DEL RÍO CHINAUTLA Y SU CONFLUENCIA CON EL RÍO LAS VACAS, CHINAUTLA, GUATEMALA

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ESTUDIO BASICO PARA EL DISEÑO DE LAS OBRAS DE CONTROL Y PROTECCIÓN EN EL CAUCE DEL RÍO CHINAUTLA Y SU CONFLUENCIA CON EL RÍO LAS VACAS,

CHINAUTLA, GUATEMALA

1. ANTECEDENTES En la década de los años cuarenta se inicia el saneamiento de la ciudad de Guatemala a través de la construcción de colectores combinados de aguas negras y pluviales que desembocarían sin ningún tratamiento en el río Las Vacas. Las pocas industrias existentes también mandaron directamente sin ningún tratamiento sus aguas residuales hacia barrancos y aguas de los ríos. La ciudad de Guatemala de entonces no tenía las dimensiones actuales. En las décadas posteriores, el crecimiento poblacional, la expansión de sus límites territoriales, la concentración de industrias, la falta de tratamiento de las aguas residuales y la falta de planificación de los servicios, ha incidido en el aumento de la contaminación de los ríos. En el área metropolitana de la ciudad de Guatemala, la cuenca norte es hacia donde se evacua el mayor porcentaje de las aguas residuales. A causa de lo anterior, el río Chinautla que atraviesa la población de Santa Cruz Chinautla tiene altos índices de contaminación y desde hace años ha dejado de ser utilizado como fuente de abastecimiento de agua de esa población. Actualmente la red de alcantarillado de la ciudad de Guatemala consta de aproximadamente 180 kilómetros de colectores con diámetros mayores de 1.50 metros, que transportan las aguas negras de las viviendas de la ciudad. A ello se suma la precipitación pluvial recogida por unos 30,000 tragantes. Al no existir separación de las aguas pluviales y las residuales, en invierno aumentan los caudales descargados a los ríos. Esto es sumamente riesgoso en el caso del río Chinautla, ya que se produce una ruptura del equilibrio de los cauces y aumento de los caudales lo que impacta en movimientos de los terrenos ribereños provocando derrumbes, deslizamientos y hundimientos que se llevan consigo las edificaciones y algunos tramos de la infraestructura vial existente. En el año 1979 el BANVI realizó el proyecto habitacional “Nueva Chinautla” localizado en Jocotales cercano a la zona 6 de la ciudad de Guatemala, a donde fueron trasladadas algunas de las familias afectadas por deslizamientos y hundimientos de terrenos. Posteriormente la mayoría de esta población retorno de nuevo a Santa Cruz Chinautla debido a que en el proyecto del BANVI el diseño de las viviendas no se adaptó a sus patrones culturales y productivos cotidianos.


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En la cuenca norte de la ciudad de Guatemala se generan la mayor parte de los contaminantes que afectan los ríos que confluyen en el río Chinautla. El río Chinautla nace al norte de la ciudad de Guatemala y se forma por dos ramales, el río Marullero y el río El Zapote, el cual a su vez se forma por el caudal de los ríos La Barranca, El Naranjo y El Molino, el recorrido total tiene una longitud aproximada de 12 kilómetros antes de su confluencia con el río Las Vacas a un kilómetro, aguas abajo de Santa Cruz Chinautla. La carencia de formas adecuadas de evacuación de las aguas residuales, convierten a estos ríos en canales de drenaje a cielo abierto. La contaminación del río Chinautla que atraviesa Santa Cruz Chinautla, expone a sus habitantes a enfermedades de tipo infeccioso. Además a través de la evacuación de las aguas residuales de industrias pueden descargarse materiales tóxicos como plomo, mercurio, arsénico, cadmio etc. lo que puede tener efectos en la salud a más largo plazo. Santa Cruz Chinautla se ha convertido en una de las cloacas de la ciudad de Guatemala, viéndose afectada no solamente por los altos índices de contaminación del río, sino también por sus crecidas en invierno. La precariedad de las edificaciones y la descarga de desechos sólidos y líquidos en el cauce del río producen obstrucciones en los canales de drenaje lo que aumenta la posibilidad de inundaciones en época de lluvia. Las viviendas a orillas del río son susceptibles a derrumbes y altamente peligrosas para los habitantes, constituyendo una amenaza directa a su vida y sus bienes. Debido a esto, también la infraestructura vial ha sido dañada constantemente, como ya se indico. El municipio de Chinautla se ubica a doce Kilómetros de la capital, tiene una extensión de 80 kilómetros cuadrados, esta compuesta por aproximadamente 12 comunidades rurales entre aldeas, pueblos y caseríos y más de 50 comunidades urbanas formadas por colonias y asentamientos, su altura es de 1,220 metros sobre el nivel del mar y posee un clima templado. Limita al norte, con el municipio de Chuarrancho, al este con San Pedro Ayampuc, al sur con la ciudad de Guatemala y al oeste con los municipios de Mixco, San Pedro Sacatepéquez y Guatemala. El municipio es atravesado de Este a Oeste por la falla del Motagua, situación que lo hace propenso a movimientos constantes de tierra. Las proximidades de la antigua cabecera municipal están conformadas por un tipo de suelo arenoso, suave, expuesto a deslizamientos. La capa de humus o tierra laborable es de apenas 10 y 15 centímetros de grosor, lo cual le da un carácter de suelo tipo Jurasico Primario. El territorio de Chinautla en gran parte esta configurado por múltiples depresiones de terreno, hondonadas y repliegues originados por los distintos ramales de la Sierra Madre Central, que convergen en esta parte del departamento de


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Guatemala. Su territorio es recorrido por los ríos Chinautla, Las Vacas, El Zapote, Tzaljá y los innumerables afluentes que en su conjunto conforma la cuenca norte del departamento. Otra cuenca a destacar dentro del área de influencia es la Cuenca del Río Las Vacas. Esta presenta pendientes comprendidas entre 0 y 0,4 m/m con una frecuencia del 75 %, estando el 40 % de ellas comprendidas entre 0,3 y 0,4 m/m. Valores altos, comprendidos entre 0,4 y 0,9 m/m se presentan con una frecuencia del 25 % . Este sistema hidrográfico puede considerarse como una red de drenaje joven, de tipo dendrítico, el cual muestra fuerte pendientes en la cabecera de la cuenca y relativamente bajas en los tramos cortos de confluencia. Debido al tipo de litología por el que transcurre, esta corriente ha excavado profundos cauces de valle estrecho, simétricos y de fuertes pendientes (casi verticales). Para la cuenca del río Las Vacas, la Red Hidrográfica se extiende desde la estación de aforo San Antonio Las Flores, en dirección aguas arriba sobre una longitud de 30 Km., recibiendo los nombres de Las Vacas, Santa Rosita y Agua Bonita. La red de drenaje de la cuenca es bastante cerrada, afirmación que se basa en la densidad de drenaje y en la frecuencia de corrientes cuyos valores son respectivamente de 3,55 km. /km2 y 10 corrientes/km2. La pendiente del cauce principal es de 1,53 % (15,3 m/Km.) entre los puntos situados al 85% y 10% de la longitud de la corriente principal, medida desde su estación de aforo. El Río Las Vacas nace en las inmediaciones de Santa Catarina Pinula con el nombre de Agua Bonita, para luego cambiar a riachuelo de Santa Rosita. A la altura de Vista Hermosa, dos corrientes, Río Negro y otra sin nombre, al unirse al río Santa Rosita forman el Río Las Vacas. Posteriormente recibe los aportes de los ríos Chinautla, Tzaljá y El Zapote. El Río Chinautla nace cerca de la Colonia La Florida con el nombre de Río Naranjo; recibe aportes de las quebradas La Barranca y el Marrullero. El Río Tzaljá nace también en la Colonia La Florida, formado por los ríos Slayá y Guacamayas. Las aguas de estos dos afluentes están completamente contaminadas por desechos y aguas negras provenientes de la región metropolitana, cuya red de drenajes descarga, sin tratamiento, en todas las quebradas de la parte norte de la capital. El río Zapote nace en los alrededores de San Pedro Sacatepéquez, al unirse las quebradas Yumar, Las Limas y El Milagro; y antes de confluir con Las Vacas, recibe las aguas del río Las Flores. De esta forma el régimen de las aguas de


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esta cuenca está fuertemente influenciado por las condiciones urbanas de la Ciudad.

2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA, OBJETO DE ESTUDIO El problema especial que nos atañe en este estudio es el referente a las condiciones de confluencia de los ríos Chinautla y Las Vacas, y luego estos dos con el río Tzaljá, aguas abajo, en particular por los daños causados a la infraestructura vial. Aunado a las actividades de explotación de áridos que se llevan a cabo en el lugar, las condiciones hidráulicas y arrastre de sedimentos, conforman una situación crítica y compleja para la confluencia de los tres ríos indicados. Durante todos los años, principalmente en invierno, el Estado invierte recursos para mantener habilitado el paso vehicular por la carretera RD-GUA-04, ya que debido a la gran cantidad de sedimentos que se depositan en el área, el canal de los ríos Chinautla y Las Vacas se colmatan, lo que provoca que los ríos erosionen sus riberas y se desborden en algunos puntos. En la confluencia de los ríos se manifiesta, por un lado la acreción del lecho por deposito de sedimentos y por otro lado, degradación de los bancos en sus riberas por erosión. El primero de los procesos provoca la pérdida total de la capacidad hidráulica del puente Chinautla, por ejemplo, y el segundo de los procesos ha provocado la destrucción parcial de algunos tramos de la carretera, más recientemente después del paso de la tormenta tropical Agatha, en mayo del presente año 2010. Para mejorar las condiciones de confluencia se estima necesaria la construcción de obras de encauzamiento diseñadas para una avenida correspondiente a un periodo de retorno de 100 años.

3. UBICACIÓN DEL AREA DE EVALUACIÓN Chinautla se encuentra ubicada al norte de la ciudad Capital de Guatemala y forma parte del territorio de dicho departamento asÍ como se muestra en la siguiente imagen. El acceso por la Ciudad Capital es a través de las rutas RD-GUA-04 y RD-GUA-15 y las coordenadas del punto analizado son: Latitud 14o42’46.29’’ N y Longitud 90o29’41’’ O.


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Imagen No 1. Ubicación del área de Chinautla

Fuente: Montaje Propia

4. MORFOLOGIA CARACTERISTICAS GENERALES DEL CAUCE DE LOS RÍOS La morfología de ríos estudia la estructura y la forma de estos, incluyendo la configuración del cauce en planta, la geometría de las secciones transversales, la forma del fondo y las características del perfil. La clasificación de los ríos según su edad, es de un río joven porque se encuentra en cauce de montaña; generalmente tienen pendientes altas y sección transversal tipo “V”, son muy irregulares y están en proceso de degradación. A continuación se presenta unas gráficas en las cuales se muestran el perfil de los ríos, Las


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Vacas (color rojo) y el Río Chinautla (color azul). La pendiente para cada uno de estos es de 3.06% y 0.98 % respectivamente y la pendiente después de la confluencia es de 1.59 %. Gráfica No 1. Perfil Río Las Vacas y Río Chinautla antes de la confluencia

Fuente. Grafica de datos obtenidos de las secciones transversales

Gráfica No 2. Perfil Río Las Vacas después de la confluencia

Fuente. Grafica de datos obtenidos de las secciones transversales

La sección transversal de estos ríos es similar, como se puede ver en las siguientes gráficas.


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Gráfica No 3. Sección Río Las Vacas

Fuente. Grafica de datos obtenidos de la topografía obtenida

Gráfica No 4. Sección Río Chinautla

Fuente. Grafica de datos obtenidos de la topografía obtenida

Con respecto a la geometría del río Las Vacas y el Río Chinautla, se puede decir que ambos pertenecen a un cauce sinuoso porque la sinuosidad para cada uno es de 1.27 y 1.44 respectivamente. La sinuosidad de una corriente, se define como la relación que existe entre la longitud del thalweg y la longitud del valle y la tortuosidad se define como: Tortuosidad = Longitud del thalweg – longitud del valle x 100 Longitud del valle En el caso de los ríos Las Vacas y Chinautla, la tortuosidad corresponde a 26.74% y 44.05% respectivamente. Posteriormente de una breve descripción de las


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características de cada uno de los Ríos, se realiza una comparación del comportamiento que ha tenido el cauce a través de los años. EVALUACION MORFOLOGICA En la siguiente imagen aparece el cauce marcado con diferentes colores para los años 2003, 2007 y 2009; inicialmente se analiza el punto uno, el cual está encerrado con un rectángulo color amarillo. Con respecto al río Chinautla las fotos muestran un meandro, el cual no ha tenido mayor cambio, pero al observar el río Las Vacas del año 2003 al 2007 inicia a formarse un meandro a tal grado que en la imagen del 2009 se puede observar una gran erosión en ambas márgenes cercanas a dicho meandro, ocasionando la agudización del meandro y la socavación del pie de un talud, lo cual genera derrumbes, por lo general. Imagen No 2. Comparación de los ríos en evaluación de los años 2003, 2007 y 2009

Fuente. Elaboración propia

El siguiente punto analizado en la imagen No. 2, es la confluencia, la cual está identificada con un rectángulo de color rojo, aquí se puede observar el cambio que ha tenido y el retroceso de la margen derecha del río Chinautla la cual a través de los años se intensifica; del año 2003 al año 2007 aproximadamente retrocedió 150 metros y del año 2007 al año 2009 retrocedió aproximadamente 80 metros. Al analizar la imagen No. 3 del 2003 y compararla con el mapa cartográfico de 1986, podemos notar los cambios que a tenido el cauce de cada uno de los ríos; estos cambios están marcados con un circulo color amarillo.


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En el río de las vacas se observan exactamente los mismos puntos anteriormente analizados y se confirma la erosión que se describió. Igualmente en el río Chinautla la comparación de estas dos imágenes confirman la agudización del meandro aunque no se tiene la certeza de la causa de la formación del mismo. En las fotografías satelitales se observa que es un área de explotación minera. No se sabe si a causa de la explotación inicio esta formación, pero los meandros se forman como parte de la propia dinámica del río. Imagen No 3. Comparación de los ríos en evaluación de los años 1986 y 2009


En el punto antes de la confluencia del Río Las Vacas y el Río Chinautla existe un puente que al parecer está en riesgo, a continuación se presentan los anchos de divagación de 240 metros antes de la estructura.


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Cuadro No 1. Resultados de las mediciones de los anchos de divagación según los puntos de la imagen No 12

Fuente. Elaboración propia Imagen No 4. Puntos en los cuales se realizo la medición de los anchos de divagación


Algunas de las causas que han definido esta variación en los ríos son de origen natural y otras de origen antrópico:

ESTACION LONGITUD (m)

0 + 000 37

- 0 + 030 37

- 0 + 060 42

- 0 + 090 46

- 0 + 120 41

- 0 + 150 46

- 0 + 180 34

- 0 + 210 51

- 0 + 240 50

ANCHOS DE DIVAGACIÓN


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ORIGEN NATURAL La geología de la zona se encuentra conformada por depósitos piroclásticos recientes del período cuaternario, que incluye cenizas, lapillo y pómez con textura fina en forma arenosa con muy poca cohesión muy fácil de deslizarse. También puede atribuirse a los cambios climáticos debido proceso de degradación global de la tierra. En la sección de geología y suelos se amplía más la información relativa. ORIGEN ANTROPICO Los aspectos que se mencionan a continuación han modificado considerablemente las condiciones originales de los ríos porque se ven alterados algunos aspectos geológicos y morfológicos que han generando el desequilibrio de los mismos. Existen actividades que se desarrollan en la microcuenca, tales como la explotación de materiales pétreos en el cauce, estas actividades se han realizado en forma incontrolada e inadecuada. Las comunidade vecinas se dedican a laborar en el campo de la alfarería, por lo que obtienen sus materiales arcillosos de la ribera del río Chinautla. El estrato se encuentra bajo la capa de pómez y para su obtención se realizan excavaciones en las márgenes del río. El basurero de la zona 3, uno de los más grandes lugares donde se recopila la mayor cantidad de basura de la ciudad capital contribuye a la contaminación y cantidad de sólidos en suspensión que el río Chinautla arrastra. El cambio del uso del suelo principalmente en la parte alta de las cuencas a raíz del desarrollo de proyectos urbanísticos. Plantas de proceso de agregados que explotan material de las laderas (bancos de material). Los derrumbes, deslizamientos y explotación de materiales de las laderas aportan material a la carga total del río lo cual produce pérdida de la capacidad de transporte de sedimentos y permite la agradación del cauce. La explotación de materiales del río produce pérdida de la carga del lecho en algunos puntos ocasionando degradación del cauce, y aún más cuando se excede en la excavación y se profundiza hasta la capa de fundación del lecho; esto puede llegar a cambiar la pendiente y aumentar la velocidad del flujo, especialmente


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cuando la excavación se realiza en el cuerpo de agua que define el nivel base del tributario. Al ocurrir una situación como esta se originan procesos de socavación por agua clara, debido a que el flujo ha perdido su carga y el río en busca de su equilibrio extrae material de las márgenes o del fondo del lecho. Los puntos mas vulnerables a los proceso de socavación son las parte cóncavas de los meandros o las partes con material mas suave de otros puntos. En el caso de la microcuenca del río Chinautla la situación es bastante compleja debido a la composición geológica de las laderas, puesto que es material muy deleznable y cuando el río erosiona el pie de las laderas fácilmente las desestabiliza y produce derrumbes o deslizamientos de diferente magnitud. Cuando la situación se agudiza se producen cortes de meandros y esto favorece el movimiento lateral y longitudinal del río, originando erosión progresiva aguas arriba del corte del meandro y erosión regresiva hacia aguas abajo, la cual es bastante más rápida puesto que inicia con pendientes mayores. En la siguiente fotografía se muestra una sección del río donde se encuentra un puente de metal en la cual se evidencia el proceso de degradación del cauce. Como consecuencia la subestructura del puente se ha visto sometida a procesos severos de socavación; debido a esta situación según informaron vecinos, se han tenido que construir estructuras para protección del puente, pero como el problema se ha ido agravando éstas han colapsado: Para mostrar lo dicho se muestra en la fotografía No 1 restos del muro anterior colapsado y en la parte posterior la construcción del nuevo muro.


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Fotografía No 1 Evidencia del proceso de degradación del cauce

Fuente: Propia

Fotografía No 2 Evidencia del proceso de degradación

Fuente: Propia


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Probablemente influya el estrechamiento que se da en este punto, porque adicional a que naturalmente el cauce se reduce, las obras que se han construido con la finalidad de proteger el puente lo constriñen aún mas y esto provoca incremento en la velocidad del flujo, por tanto incremento en el proceso de socavación. Aproximadamente a 100 metros aguas abajo de este punto se realizan actividades de extracción de material del lecho del río, lo cual también contribuye. La ubicación de botaderos (basura o ripio) dentro de la cuenca de los ríos tiene consecuencias ambientales lamentables y produce alteraciones en el equilibrio natural, lo cual afecta su comportamiento, pues representa un aporte adicional a la carga total que el río tiene que transportar. Como se menciona en párrafos anteriores produce pérdida de la capacidad de transporte de sedimentos y permite la agradación del cauce. Es muy común que en crecidas ambos ríos arrastren troncos, ramas y hasta árboles completos, estos al quedarse atrapados en algunos puntos favorecen la acumulación de basura y forman represas de diferente tamaño, las cuales al romperse incrementan las posibilidades de erosión de los bancos y contribuyen al desequilibrio. Además de las alteraciones morfológicas que esto ocasiona, es muy probable que los problemas ambientales sean severos y que afecten directamente a la población ubicada en su ribera. Por lo descrito en este apartado de acuerdo con el breve análisis realizado, se concluye que por los procesos a los que son sometidos los ríos, su tendencia es a mantenerse en inestabilidad horizontal y vertical; por lo tanto puede migrar dentro de la planicie erosionando las márgenes o descender el nivel del lecho en tramos donde la pendiente es alta propiciando la degradación, y en puntos con pendiente baja favoreciendo la agradación.


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5. HIDROLOGIA El río Las Vacas forma parte de la cuenca del río Motagua, el cual drena hacia la vertiente del océano Atlántico. La longitud máxima, L, se refiere a la distancia desde el punto de control hasta la parte mas alta de la cuenca tributaria, a lo largo del cauce más largo y S es la pendiente media del cauce principal desde la divisoria de subcuenca, hasta el punto de control. Hacia la subcuenca del río Negro fluye el agua del sistema de drenaje denominado Colector 13-14, cuya área tributaria pertenece a la subcuenca del río Pinula, afluente del río Villalobos. La magnitud de esta área es de 4.42 km2. De la misma manera, hacia la subcuenca del río Chinautla fluye el agua del sistema de drenaje denominado colector RMR, cuya área tributaria de 5.64 km2, pertenece a la subcuenca de la quebrada El Frutal, afluente del río Villalobos (ver imagen 1). El río Villalobos pertenece al sistema Fluvial del río María Linda, el cual fluye hacia el océano Pacífico. En total, el área tributaria de drenaje que se trasvasa desde la cuenca del río Villalobos hacia la cuenca del río Las Vacas es de 10.1 km2. Las áreas indicadas, fueron estimadas en base a la consulta que se hizo al Departamento de Drenaje de la Empresa Municipal de Agua de la ciudad de Guatemala (EMPAGUA). Por otro lado, la cuenca del río Chinautla, recibe el aporte del área tributaria superior (natural) del río Las Guacamayas (ver imagen 5), que fue desviado hacia el cauce del río El Naranjo, a la altura de la colonia Montserrat, zona 3 de Mixco. El río Las Guacamayas es afluente del río Tzaljá, que se une al río Las Vacas, aguas abajo donde confluye el Chinautla con Las Vacas (ver imagen 5). El área tributaria es de 1.75 km2 y fue estimada en base a la consulta a la Municipalidad de Mixco y visita de campo. El área de la cuenca del río Las Vacas, hasta el sitio de confluencia con el río Chinautla es de 63.91 km2, incluyendo el área de trasvase del río Villalobos, mientras que el área del río Chinautla es de 57.41 km2. La cuenca en estudio tiene, entonces 121.32 km2. En el cuadro 2 se muestra la ubicación de los puntos de análisis, para los ríos Las Vacas (1), Chinautla (2) y aguas abajo de la confluencia (3).


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Cuadro No 2. Ubicación de los puntos de análisis y sus características morfométricas relevantes.

P An Avl A Ubicación punto de control UTM, ESTE UTM, NORTE L Hmx Hmn S

1 59.49 4.42 63.91 Río Las Vacas, aguas arriba confluencia con Chinautla

7 69 850 16 27 900 23272 1891 1188 0.030

2 51.77 5.64 57.41 Río Chinautla, aguas arriba confluencia con Las Vacas

7 69 850 16 27 900 19460 1740 1188 0.028

3 111.26 10.1 121.32 Río Las Vacas, aguas abajo confluencia Las Vacas y Chinautla

7 69 850 16 27 900 24802 1891 1188 0.027

P es punto de análisis, ubicado en las coordenadas UTM indicadas. An, Avl y A corresponden al área natural de drenaje, área de trasvase desde el Villalobos, y área de drenaje de la cuenca. L, Hmx, Hmn y S corresponden a la longitud (m), elevación máxima (msnm) y mínima (msnm), y pendiente media del cauce más largo.


Imagen No 5. Delimitación de la cuenca del río Chinautla



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Orden de las corrientes Método Strahler: Este método asigna un orden numérico a los canales naturales encontrados en la cuenca, el cual identifica y clasifica los tipos de corrientes basados en sus números de corrientes tributarias. En el método Stralher la conectividad de las corrientes están de acuerdo a las corrientes tributarias de manera descendente. En la imagen 6 se muestra el orden de las corrientes para la cuenca del río Las Vacas (punto 1) y en la imagen 7 el orden de corrientes del río Chinautla (Punto 2). En estas imágenes se presenta la longitud del cauce mas largo para cada una de las subcuencas. Imagen 6. Orden de corrientes del río Las Vacas



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Imagen 7. Orden de corrientes del río Chinautla



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SISTEMA FLUVIAL El río Las Vacas se origina, principalmente, en las montañas ubicadas al sur de las zonas 15 y 16 de la ciudad de Guatemala. Los dos afluentes que forman el río Las Vacas son el río Negro y el riachuelo Santa Rosita. El primero aflora a una elevación de 1,700 msnm, con el nombre de El Sauce. Aguas abajo toma el nombre de río Negro. A la altura de la colonia Covias, zona 5, el río Negro confluye con el río Contreras. El riachuelo Santa Rosita, se origina al Este del río Contreras, en la cota 1,740 msnm. Este riachuelo se une al río Negro, aproximadamente en la cota 1,409 msnm, en el sitio donde inicia la calzada La Paz. A partir de este punto, el río tiene el nombre de Las Vacas, y se le unen varias quebradas intermitentes de muy corta longitud. Al norte del antiguo Chinautla, al río Las Vacas se le une el río Chinautla, en la cota aproximada de 1,188 msnm. La longitud del cauce más largo del río Las Vacas hasta su confluencia con el Chinautla es de 24.8 km, mientras que el del río Chinautla es de 19.5 km. Las alturas en la subcuenca del río Las Vacas oscila entre 1900 y 1200 msnm, mientras que en el río Chinautla oscila entre 1700 y 1500 msnm (ver imagen 8). En cuanto a la pendiente media de dichos cauces, es de 2.67 y 2.73 %, respectivamente.


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Imagen 8. Elevaciones en msnm


En cuanto al relieve del terreno, éste se caracteriza por altas pendientes, específicamente a lo largo de los cauces naturales, barrancos de hasta 100 m de profundidad. Las áreas planas con pendientes predominantes menores al 4 %, están ocupadas o en proceso de ocupación por urbanizaciones o actividades agrícolas. La pendiente de las zonas altas es del orden del 40 %. Ver Imagen 17.


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Imagen 9. Pendientes en %

Fuente. Elaboración propia.

El río Las Vacas se une al río Los Plátanos, el cual desemboca en el río Motagua, que fluye hacia el Mar Caribe. Los dos afluentes principales del río Las Vacas: río Negro y riachuelo Santa Rosita son ríos perennes; por lo tanto, el río Las Vacas es un río Perenne. Es importante recordar que la cuenca del río Las Vacas conduce también las aguas servidas de gran parte de la ciudad de Guatemala. Además existe un gran número de tuberías de drenaje que llegan a las quebradas afluentes del río Las Vacas. Gran cantidad de esta agua corresponde a trasvases de agua desde fuentes fuera de la cuenca y de agua subterránea. Asimismo, aproximadamente unos 10.1 km2 de la cuenca natural superficial del río Villalobos, el cual drena hacia el lago de Amatitlán, drena mediante el sistema de alcantarillado denominado RMR y 13-14, hacia la cuenca del río Las Vacas.


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CLIMA El clima en la cuenca objeto de evaluación, es prácticamente templado subtropical. A continuación se aborda brevemente el régimen de lluvias y temperatura para ilustrar el clima del área de estudio.

Régimen de lluvias Dentro de la cuenca en estudio no existe actualmente observación directa de la lluvia. Sin embargo, existen varias estaciones con registros de diferente longitud, normalmente menores a los 10 años. Las estaciones más cercanas con registros de lluvias, relativamente largos, se muestran en el cuadro 3. Cuadro 3. Características de las estaciones meteorológicas usadas para los análisis de lluvias en la cuenca en evaluación. E = elevación en msnm.

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NOMBRE CUENCA MUNICIPIO

UBICACIÓN GEOGRÁFICA

PERIODO

ELEV LAT LON REGISTRO

06.01.00 INSIVUMEH MARIA LINDA

Guatemala 1502 143511 903158 1928

2005

06.01.08 PRESA LA BRIGADA MOTAGUA Guatemala 1619 143920 903530 1970

1987

06.01.12 PLANTA SANTA LUISA MOTAGUA Guatemala 1560 143710 902810 1959

1983

06.10.01 EXPERIMENTAL INCAP MOTAGUA S. Juan Sac. 1845 144300 903900 1961

1980

06.12.01 SN PEDRO AYANPUC MOTAGUA S.Pedro Ayampuc

1240 144635 902717 1969

1997

06.16.04 SN AGUSTIN LAS MINAS

MARIA LINDA

Villa Canales 1300 143150 903112 1956

1994

06.17.04 GUATEMALA SUR MARIA LINDA

Villa Nueva 1360 143240 903508 1970

2005

16.11.01 SUIZA CONTENTA MOTAGUA S. Lucas Sac. 2105 143701 903930 1972

2005

Fuente: INSIVUMEH

Cerca de la cuenca, operan actualmente, tres estaciones pluviométricas: dos operadas por el INSIVUMEH (INSIVUMEH y Suiza Contenta) y una por el INDE (Guatemala Sur). En el cuadro 4 se muestran la lluvia media mensual en cada estación, basada en el registro disponible.


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Cuadro 4. Lluvia media mensual en las estaciones ubicadas en la cuenca del río Las Vacas

ESTACIÓN MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ENE FEB MAR ABR ANUAL

INSIVUMEH 123 250 190 179 245 132 28 7 3 4 9 23 1193

P LA BRIGADA 96 246 175 185 216 103 19 8 3 4 12 18 1085

STA LUISA 148 214 180 176 284 126 23 8 6 8 17 32 1220

EX. INCAP 105 233 199 208 229 119 21 4 4 4 5 25 1156

SN P AYAMPUC 97 223 145 163 221 121 28 8 7 4 14 38 1071

SUIZA CONTENTA 119 228 176 195 220 85 26 5 3 5 11 19 1092

GUATEMALA SUR 101 217 143 162 206 98 19 4 4 4 17 22 997

SN A LAS MINAS 118 262 198 202 226 120 23 7 5 7 12 28 1209

CUENCA L VACAS 113 234 175 184 230 112 23 6 4 5 12 25 1125

Fuente: INSIVUMEH e INDE

Dentro de los períodos de registro existen algunos vacíos. La estación con mayor registro, sin vacíos y registros confiables es la estación INSIVUMEH. La cual cuenta con una serie desde 1,928 hasta la fecha. Además esta estación se ubica muy cercana al área tributaria del sistema de colectores 13-14 que drenan hacia el río Negro. La distancia de la estación hasta el centroide de la cuenca de estudio es de 7 km. Por otro lado, la lluvia registrada en esta estación es muy similar a la lluvia en las otras estaciones cercanas, tanto en volumen como en distribución temporal (ver cuadro 4). Por lo tanto, en adelante se usa la estación INSIVUMEH para caracterizar el régimen de lluvias de la cuenca en evaluación.

Distribución espacial de la lluvia La distribución espacial de la lluvia en las subcuencas, tiene una variación muy baja, esto puede comprobarse en el mapa de isoyetas del atlas hidrológico de Guatemala, publicado por el INSIVUMEH en el 2,004. Según este mapa la parte alta de la cuenca del riachuelo Santa Rosita, manifiesta una lluvia superior a los 1,200 mm anuales, mientras que las otras subcuencas manifiestan lluvias entre 1,200 y 1,100 mm anuales. Para toda la cuenca en estudio, la lluvia media anual se estima en 1,125.00 mm.

Variación mensual de la lluvia La variación de la lluvia en la cuenca puede ilustrarse considerando el registro de la estación INSIVUMEH, donde la lluvia media anual es 1,192 mm, de los cuales el 94% cae en la época lluviosa (mayo-octubre). Los meses más lluviosos son junio y septiembre en los cuales cae, en cada uno de esos meses, el 21 % de la lluvia anual. La gráfica 5 muestra la variación mensual de la lluvia y los rangos de variación en cada mes del año. Del registro se infiere que la lluvia mensual puede


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alcanzar valores de 465 y 558 mm en los meses más lluviosos (junio y septiembre, respectivamente). Gráfica 5. Variación media mensual de la lluvia y rangos de variación en cada mes, basado en el registro de lluvia mensual de 1928–2005

Fuente: TAHAL 2005.

Variación multianual de la lluvia La variación multianual de la lluvia en la estación INSIVUMEH se muestra en la gráfica 6. La variación anual se muestra en función de la lluvia anual estandarizada para visualizar mejor el comportamiento multianual. El rango de variación anual, para el registro indicado es entre 550 mm y 1,690 mm. Gráfica 6. Variación anual de la precipitación en mm, basada en el registro de lluvia en la Estación del INSIVUMEH (1970 al 2007).



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ANÁLISIS DE CRECIDAS

Metodología de cálculo La evaluación hidrológica se realizó por medio del modelo determinístico lluvia-escorrentía. Utilizando para esto información de lluvias y caudales dentro de la cuenca y cuenca vecinas.

Análisis de lluvias máximas La lluvia es una variable climática cuya medición se ha realizado en varios sitios del valle de Guatemala. En el cuadro 4 se muestra una lista de estaciones que cuentan con información de lluvia media mensual, 8 en total. Puede notarse la longitud de registro es diferente entre ellas. Para los propósitos de la evaluación hidrológica, también se requieren registros continuos de lluvia. Para la lluvia diaria se dispone de mediciones en dichas estaciones. Sin embargo la longitud del registro, en la mayoría de las estaciones, es muy limitada. Por otro lado, en varios registros se encuentran vacíos. Las estaciones que cuentan con una información relativamente larga son INSIVUMEH (82 años), Suiza Contenta (34 años) y Guatemala Sur (27 años). Estas tres estaciones están en operación. En cuanto a registros de lluvia continua (pluviogramas), se dispone únicamente en las estaciones de INSIVUMEH y Suiza Contenta. Los períodos de registro disponibles son, respectivamente, 1984-2005 y 1997-2005. La calidad de la información en el caso de Suiza Contenta no es del todo satisfactoria. Por otro lado, durante eventos importantes, como el ciclón tropical Mitch, donde los eventos fueron extensos, se explora los registros de lluvia continua en las estaciones adicionales como Jurún Marinalá (ubicada fuera de la cuenca, al sur de la cuenca del río Villalobos) y Aeronáutica (ubicada muy cerca de la estación INSIVUMEH). Para este caso en particular se utilizo la serie de datos de la estación INSIVUMEH, por ser la que tiene mayor longitud de registro y continuidad en sus datos.


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En el cuadro 5. Se presenta la serie de datos de lluvia diaria máxima anual en mm, registrados en la Estación INSIVUMEH

Año PDMAX Año PDMAX Año PDMAX Año PDMAX Año PDMAX

1928 77.6 1945 63.1 1962 115.5 1979 68 1996 40.7

1929 150.2 1946 54.4 1963 49.8 1980 72.8 1997 65.2

1930 46.2 1947 84 1964 66.5 1981 55 1998 198.3

1931 54.4 1948 86 1965 46.5 1982 156.6 1999 85.3

1932 54.6 1949 177.8 1966 59.6 1983 46.8 2000 74.8

1933 96.2 1950 77 1967 48.2 1984 60.7 2001 84.5

1934 57.8 1951 103.8 1968 57.8 1985 42.3 2002 50.2

1935 54.6 1952 67.7 1969 92.6 1986 52.3 2003 84.5

1936 103.5 1953 88.2 1970 69.2 1987 63.4 2004 57.2

1937 93.6 1954 101.1 1971 52.7 1988 104.3 2005 103.8

1938 59.5 1955 69.5 1972 88.5 1989 44.6 2006 114.7

1939 82.2 1956 78.5 1973 60.5 1990 50.8 2007 65.3

1940 82.7 1957 76.5 1974 55.7 1991 80.2 2008 112

1941 65.8 1958 124.4 1975 49 1992 70.5 2009 49.2

1942 52 1959 63.9 1976 77 1993 63

1943 103.2 1960 62.8 1977 48.2 1994 51.3

1944 49.4 1961 58.5 1978 50 1995 67.2


Lluvia máxima diaria Por la consistencia en el registro histórico de información, se recomienda utilizar la serie de datos de la estación INSIVUMEH. El análisis estadístico consiste en el ajuste de diferentes distribuciones teóricas de frecuencia a la serie del cuadro 5. Se aplican seis distribuciones: Log-Normal (LN), Log Pearson tipo III (LP-III), Gumbel (G), Valor Extremo Generalizado (VEG), Logística Generalizada (LG), Log Pearson tipo III (LPIII) y Log Gumbel (LogG). En el cuadro 6, se muestran las magnitudes de lluvia diaria máxima en mm de las diferentes distribuciones de frecuencias asociadas a diferentes periodos de retorno.


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Cuadro 6. Magnitud de lluvia diaria máxima, en mm, asociadas a diferentes períodos de retorno (Tr), para la serie observada en la estación INSIVUMEH, en el período de 1928 a 2009

Tr (años) Normal LN2 LN3 Gumbel Log

Gumbel Gama 2

Log-

Pearson

III

2 74.87 70.48 66.85 70.02 66.72 71.93 67.21

5 99.68 93.34 91.05 96.09 89.61 95.26 91.23

10 112.67 108.12 110.27 113.34 108.94 102.20 110.16

25 126.55 126.46 138.01 135.14 139.44 125.46 137.81

50 135.45 139.92 161.12 151.31 167.46 136.72 161.32

100 143.48 153.25 186.29 167.37 200.83 147.37 187.50

∆ Teorico 0.1385 0.0849 0.0385 0.0936 0.0493 0.1054 0.0338

∆ Tabular 0.1502 0.1502 0.1502 0.1502 0.1502 0.1502 0.1502

α (%) 5 5 5 5 5 5 5


A partir de la comparación del ajuste de las distribuciones utilizadas en el análisis, se concluye que la distribución de Log Normal (LN) es la que mejor se ajusta a la serie anual de lluvia diaria máxima observada en la estación INSIVUMEH. Por lo tanto, los valores calculados mediante la distribución Log-Normal basados en momentos lineales ponderados probabilísticamente (LN-ML), e indicados en el cuadro 6, se seleccionan para los análisis posteriores en la determinación de caudales de diseño.

Hietograma de diseño Después de la evaluación de los registros de lluvia durante el más reciente evento de lluvia importante en la cuenca (ciclón tropical Mitch 31/10 – 2/11 de 1998), en las estaciones de Jurún Marinalá, Aeronáutica, Suiza Contenta, Guatemala Sur e INSIVUMEH, se considera apropiado utilizar el hietograma de la lluvia observada, en 24 horas, el 01/11/98 en la estación Jurún Marinalá, para representar la distribución horaria (intervalos de 30 min) durante eventos extremos. La lluvia total observada en 24 horas en esa estación fue de 232.4 mm. La razón para la selección de dicho hietograma se basa en el hecho de que no se dispone del hietograma en la estación INSIVUMEH para ese evento y en las otras estaciones las intensidades de lluvia observadas fueron inferiores a las observadas en la estación Jurún Marinalá.


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Cuadro 7. Hietograma de la tormenta observada en la estación Jurún Marinalá el 01/11/98, discretizada a cada 30 min.

Hora P (mm) Hora P (mm) Hora P (mm) Hora P (mm)

0.5 2.6 6.5 1.1 12.5 1.6 18.5 12.5

1 3.7 7 2.7 13 1 19 12.7

1.5 4.6 7.5 3.8 13.5 0.7 19.5 8.6

2 6.9 8 0.3 14 0.8 20 9.4

2.5 8.2 8.5 0.4 14.5 1.8 20.5 9.1

3 8.2 9 2.5 15 1.5 21 8.2

3.5 9.0 9.5 0.6 15.5 2 21.5 13.5

4 6.7 10 0.3 16 3.7 22 7.6

4.5 1.8 10.5 0 16.5 2.9 22.5 12.8

5 3.2 11 0 17 4.8 23 10.6

5.5 1.7 11.5 0.1 17.5 9.9 23.5 9.2

6 3.2 12 0.4 18 7 24 8.3

232.2

Hietograma de la tormenta observada en la estación Jurún Marinalá el 01/11/98, discretizada cada 30 min.


La magnitud de lluvia observada en 24 horas en las dos estaciones es del mismo orden de magnitud. En la estación INSIVUMEH se observó 198.2 mm en el ciclón tropical Mitch. El traslado del hietograma mencionado para eventos de lluvia asociada a diferentes períodos de retorno se hace en base a la relación entre el valor de la tormenta de diseño y el valor total de la tormenta observada el 01/11/98 3n Jurún Marinalá. En los cuadros siguientes se muestran los hietogramas deducidos para diferentes períodos de retorno. Cuadro 8. Hietograma de 30 minutos de la tormenta asociada al período de retorno de 50 años, en la estación INSIVUMEH, basado en la tormenta observada en la estación Jurún Marinalá.


0.5 1.81 6.5 0.77 12.5 1.11 18.5 8.69

1 2.57 7 1.88 13 0.70 19 8.83

1.5 3.20 7.5 2.64 13.5 0.49 19.5 5.98

2 4.80 8 0.21 14 0.56 20 6.54

2.5 5.70 8.5 0.28 14.5 1.25 20.5 6.33

3 5.70 9 1.74 15 1.04 21 5.70

3.5 6.26 9.5 0.42 15.5 1.39 21.5 9.39

4 4.66 10 0.21 16 2.57 22 5.29

4.5 1.25 10.5 0.00 16.5 2.02 22.5 8.90

5 2.23 11 0.00 17 3.34 23 7.37

5.5 1.18 11.5 0.07 17.5 6.89 23.5 6.40

6 2.23 12 0.28 18 4.87 24 5.77 Fuente. Elaboración propia


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Grafica 7. Hietograma de 30 minutos de la tormenta asociada al período de retorno de 50 años, en la estación INSIVUMEH, basado en la tormenta observada en la estación Jurún Marinalá.

Hietograma para un periodo de retorno de 50 años discretizado cada 30 minutos estacion

INSIVUMEH

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

5.5

6.5

7.5

8.5

9.5

10.5

11.5

12.5

13.5

14.5

15.5

16.5

17.5

18.5

19.5

20.5

21.5

22.5

23.5

Tiempo (hr)

P (

mm

)


Cuadro 9. Hietograma de 30 minutos de la tormenta asociada al período de retorno de 100 años, en la estación INSIVUMEH, basado en la tormenta observada en la estación Jurún Marinalá.


0.5 2.10 6.5 0.89 12.5 1.29 18.5 10.11

1 2.99 7 2.18 13 0.81 19 10.27

1.5 3.72 7.5 3.07 13.5 0.57 19.5 6.96

2 5.58 8 0.24 14 0.65 20 7.61

2.5 6.63 8.5 0.32 14.5 1.46 20.5 7.36

3 6.63 9 2.02 15 1.21 21 6.63

3.5 7.28 9.5 0.49 15.5 1.62 21.5 10.92

4 5.42 10 0.24 16 2.99 22 6.15

4.5 1.46 10.5 0.00 16.5 2.35 22.5 10.36

5 2.59 11 0.00 17 3.88 23 8.58

5.5 1.38 11.5 0.08 17.5 8.01 23.5 7.44

6 2.59 12 0.32 18 5.66 24 6.72



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Gráfica 8. Hietograma de 30 minutos de la tormenta asociada al período de retorno de 100 años, en la estación INSIVUMEH, basado en la tormenta observada en la estación Jurún Marinalá.

Hietograma para un periodo de retorno de 100 años discretizado cada 30 minutos estacion

INSIVUMEH

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

5.5

6.5

7.5

8.5

9.5

10.5

11.5

12.5

13.5

14.5

15.5

16.5

17.5

18.5

19.5

20.5

21.5

22.5

23.5

Tiempo (hr)

P (

mm

)


ANÁLISIS DE CAUDALES

Caudales medios En la cuenca del río Las Vacas operó la estación San Antonio Las Flores, cuya ubicación es la aldea del mismo nombre, municipio de Chinautla. El área tributaria es de 239 km2, elevación de 1,102 msnm y tiene un registro de 6 años entre 1971 y 1978. Los caudales medios mensuales se muestran en el cuadro 10. Cuadro 10. Caudales medios mensuales (m

3/s) en la estación San Antonio las Flores.

MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ENE FEB MAR ABR ANUAL

6.01 6.17 6.12 6.47 9.38 9.42 10.91 14.39 1.59 1.35 13.45 6.26 7.63

Fuente. INSIVUMEH

La información disponible en dicha estación contiene algunos vacíos. Por otro lado, los caudales reportados no representan el régimen hidrológico de las diferentes subcuencas del río Las Vacas, ya que el régimen de caudales ha


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cambiado desde la época de los registros, debido al aumento progresivo del ingreso de aguas servidas de la ciudad de Guatemala hacia los afluentes de dicho río. Por lo tanto, el uso de esta información para establecer un modelo lluvia-escorrentía para dicha cuenca no es posible.

Caudales máximos observados

La única referencia disponible de caudales durante eventos de crecidas son los reportados en los boletines hidrológicos, para la estación de San Antonio Las Flores (Cuadro 11). Nuevamente, esta información no es suficiente para realizar análisis de frecuencia precisos para inferir crecidas en las diferentes subcuencas del río Las Vacas. Además, las subcuencas definidas en este estudio responden a cuencas pequeñas con una influencia urbana grande con transferencia de caudales de origen pluvial de otras áreas y caudales de agua potable de otras cuencas y de agua subterránea que se convierte en aguas servidas. Por lo tanto, el uso de información registrada en estaciones hidrométricas en cuencas vecinas para un análisis de frecuencia regional no es aplicable para las subcuencas en estudio, ya que las estaciones más próximas, como Panajax y Concuá tienen un área tributaria relativamente grande y un régimen hidrológico diferente a la de las subcuencas en evaluación. Cuadro 11. Caudales máximos instantáneos en la estación San Antonio las Flores, en el período de registro.

AÑO 71/72 72/73 73/74 74/75 75/76 77/78

Q (m3/s) 239 215 143 156 264 148 Fuente. INSIVUMEH

Modelo hidrológico para la cuenca En virtud de que, prácticamente, no hay información que pueda hacer posible realizar un análisis de frecuencia de caudales máximos anuales, se decide aplicar un modelo lluvia-escorrentía para simular los hidrogramas de diseño y su respectivo caudal pico. El modelo lluvia-escorrentía aplicado en este caso es el hidrograma unitario sintético del Servicio de Conservación de Suelos de los Estados Unidos de América (SCS), (HU) para determinar las ordenadas del mismo. Las lluvias de diseño (cuadro 6) fueron convolucionadas con las ordenadas del HU para obtener el hidrograma para cada uno de los períodos de retorno evaluados.


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Las pérdidas por infiltración durante el evento de lluvia fueron estimadas aplicando el método de la curva número, CN, del SCS (SCS, 1972). Los valores de CN fueron estimados a partir del uso del tipo de suelo, cobertura y bajo condiciones de humedad antecedente en la cuenca del río Las Vacas. Los valores ponderados de CN para cada una de los puntos de análisis se presentan en cuadro 12. Otro de los parámetros necesarios en la metodología se encuentra el tiempo de concentración, tc, de las subcuencas. Este se estima mediante el método de Kirpich, tc está en función de parámetros morfométricos de la cuenca, como elevaciones y longitud del cauce principal hasta la divisoria de la cuenca. En el cuadro 12 se presentan dichos valores para las dos subcuencas. Cuadro 12. Valores de CN, tc, para las subcuencas

Cuencas CN tC (hr)

Vacas 85 2.84

Chinautla 85 2.65

Unión de las dos 85 3.05 Fuente. Elaboración propia

Caudales máximos en las subcuencas La aplicación del modelo lluvia-escorrentía para las subcuencas, ofrece los resultados indicados en el cuadro 13, donde se muestran los caudales pico para diferentes períodos de retorno y los dos escenarios analizados. Cuadro 13. Caudales de crecida (m

3/s) para los Tr indicados y los puntos de análisis (P)

indicados

P A (km2) Períodos de retorno Tr (años)

2 5 10 20 30 50 100

1 63.91 79 121 153 189 212 241 284

2 57.41 72 111 140 172 193 219 258

3 121.32 151 230 291 358 403 457 539



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6. GEOLOGÍA Y SUELOS La geología de la subcuenca del río Las Vacas está caracterizada por formación rocas ígneas y metamórficas del período terciario y cuaternario. Una pequeña porción pertenece al período cretásico, que contiene rocas sedimentarias (ver imagen 10). Los depósitos son de diferente espesor (100 - 200 m) con textura de tamaños que varían entre limos a gravas de pómez, predominando el tamaño arenoso. Imagen 10. Geología de la subcuenca del río Las Vacas



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La geología de la subcuenca del río Chinautla está caracterizada por formación de rocas ígneas y metamórficas del período cuaternario, y por rocas sedimentarias del período Cretásico (ver imagen 11). Imagen 11. Geología de la subcuenca del río Las Vacas


Los suelos del área están caracterizados por rellenos y cubiertas gruesas de cenizas pómez de origen diverso.


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USOS DEL SUELO El uso de la tierra en la cuenca está cambiando rápidamente de cobertura vegetal natural y cultivos, tanto anuales como perennes a cobertura urbana, comercial e industrial. El uso de la tierra se ha agrupado en varias categorías. Esta agrupación se hace con fines de diferenciar la escorrentía que se origina durante eventos de lluvia. La estimación de la magnitud de cobertura en las diferentes subcuencas se basa en las hojas cartográficas, escala 1:15,000, fotografía aérea y las visitas de campo. En la imagen 12 se muestran los porcentajes de área de cobertura para cada categoría para el caso del río Las Vacas y en la imagen 13 para el río Chinautla. Imagen 12. Uso del suelo subcuenca del río Las Vacas



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Imagen 13. Uso del suelo subcuenca del río Chinautla


El área urbana incluye zonas de diferente densidad, comerciales, industriales y en proceso de desarrollo urbanístico. Como puede observarse el área urbana en ambas subcuencas ocupa el 50% del total, con tendencia muy alta a incrementarse en el futuro. La categoría de zona agropecuaria incluye cultivos anuales (maíz y frijol, principalmente), huertos familiares, vivienda rural y suelo limpio. La cobertura boscosa, arbustiva, de sotobosque y pastos aún es importante en algunas partes de la cuenca, especialmente en la parte alta de las subcuencas del riachuelo Santa Rosita, ríos Negro y Contreras. Los bosques existentes son, normalmente mixtos, con especies principales de coníferas: ciprés y pino; y latifoliadas: roble y encino. Es importante mencionar que dentro de la subcuenca del riachuelo Santa Rosita se encuentra la reserva forestal de Canajuyú. Esta


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reserva se ubica, a lo largo del riachuelo de Santa Rosita, entre el camino que conduce del Colegio Austriaco de Guatemala hacia Santa Rosita y la lotificación Canajuyú. Otras áreas protegidas corresponden a los parques de Jacarandas y Cayalá, en la subcuenca del río Negro. El proceso de urbanización en la cuenca continúa, especialmente en las áreas relativamente planas. Se estima que en el futuro, el área verde de la cuenca se reduzca hasta un 10 % del área de la cuenca. Esta área es la que se ubica a lo largo de los barrancos y pendientes empinadas, así como en las reserva forestal de Canajuyú y parques de Jacarandas y Cayalá. MATERIAL DEL CAUCE DEL RÍO De acuerdo con las observaciones de campo, el material del cauce del río se caracteríza como una arena graduada, con poca grava media a fina y trazas de limo, color gris, predominando las arenas gruesas.


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7. ANÁLISIS HIDRÁULICO SIMULACIÓN HIDRÁULICA Este análisis es necesario para poder simular el comportamiento de los niveles del cauce en los ríos Chinautla y Las Vacas, en las áreas de intervención que se proponen a la altura de la confluencia de estos dos ríos. Imagen 14. Ubicación del punto de intervención

Fuente: Google Earth

Para realizar la evaluación de los niveles de agua en los ríos se realizo aplicando el modelo matemático HEC-RAS del Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos de América. Este modelo se basa en la ecuación hidráulica empírica de MANNING-STRICKLER y en la ecuación de la conservación de la masa.


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Para la aplicación de estas ecuaciones es necesario conocer las características físicas del cauce, como su geometría y tipo de suelo y materiales que se encuentran en el lugar. Para conocer la geometría del cauce se utilizaron los datos proporcionados por la topografía levantada por la empresa, de estos datos se obtuvieron los perfiles longitudinales del río así como secciones transversales a cada 20 metros con anchos variables. Dada la las secciones y los perfiles se procedió a unificar los vectores y se obtuvo el Modelo de Elevación Digital –MED- dado por las curvas a nivel interpolado por valores “Z”. En el siguiente esquema se muestra la topografía levantada del área de este estudio.

Esquema 1. Planta topográfica

Fuente: Propia

Después del tratamiento de los datos de la topografía se procedió a realizar un análisis del Modelo de Elevación Digital proveniente de las ortofotos del MAGA del 2006 el cual tiene una resolución espacial de 15m.


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Imagen 15. DEM MAGA 2006

Fuente: elaboración propia

Seguidamente se generaron las curvas de nivel a una distancia mínima de 1 m por medio del geoproceso del análisis superficial el cual delimita los valores de contorno de la superficie. Estas curvas se interpolaron con las curvas


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proporcionadas por la topografía. Ya teniendo los datos preparados se utilizo el interface HEC-GeoRAS del programa ArcGIS para poder trabajarlo en HEC-RAS. Este procedimiento permite visualizar y definir cada capa de información dinámicamente a manera de tener el conjunto de datos hidráulicos.

Caudales para el modelo

Para los diferentes puntos de intervención se utilizaran los caudales obtenidos en el apartado de hidrología en la siguiente distribución: El Punto 1 se refiere a los caudales utilizados en el río Chinautla, el punto 2 se refiere a los caudales utilizados para el rio Las Vacas y el punto 3 se refiere a la unificación de los caudales anteriores los cuales se utilizaron para el tramo después de la confluencia de los ríos antes mencionados. Cuadro 14. Caudales aplicados en la simulación hidráulica

P A (km2) Períodos de retorno Tr (años)

2 5 10 20 30 50 100

1 63.91 79 121 153 189 212 241 284

2 57.41 72 111 140 172 193 219 258

3 121.32 151 230 291 358 403 457 539

Fuente: Elaboración propia

Resultados del modelo HEC-RAS:

El modelo matemático se aplico, para condiciones del cauce actual y con el pre diseño de las obras que se proponen en este estudio, en la gráfica 9 se presentan los perfiles del cauce del río Las Vacas y rio Chinautla con los diferentes niveles de agua que corresponden a los caudales modelados para distintos periodos de retorno.


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Gráfica 9. Perfiles río Las Vacas y Chinautla, en condiciones iniciales.

0 200 400 600 800 1000 12001170

1175

1180

1185

1190

1195

1200

Distancia del Cauce (m)

Ele

vació

n (

m)

Legend

Tr 100 años

Tr 50 años

Tr 2 años

Cauce

Banco Izquierdo

Banco Derecho

vacas prVACAS p

chinautla p


Río Las Vacas

En la gráfica 10 se presentan los perfiles del cauce del río Las Vacas antes de su confluencia con el río Chinautla con los diferentes niveles de agua que corresponden a los caudales modelados para distintos periodos de retorno.


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Gráfica 10. Perfiles río Las Vacas, en condiciones iniciales.

0 100 200 300 400 500 6001180

1185

1190

1195

1200


Ele

vació

n (

m)

Legend

Tr 100 años

Tr 50 años

Tr 2 años

Cauce

Banco Izquierdo

Banco Derecho

VACAS p


Aunque en la gráfica 10 (anterior) se aprecian los perfiles del nivel de agua para diferentes crecidas, en el tramo estudiado, no se aprecia el comportamiento exacto de estos. Es más claro verlo en las secciones transversales, en las gráficas siguientes se presenta las secciones transversales, la primera en condiciones iniciales y la segunda con las obras de intervención.


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Gráfica 11. Sección transversal río Las Vacas, en condiciones iniciales.

-80 -60 -40 -20 0 20 40 601190

1195

1200

1205

1210

RS = -60

Estación (m)

Ele

vació

n (

m)

Legend

Tr 100 años

Tr 50 años

Tr 2 años

Cauce


Gráfica 12. Sección transversal río Las Vacas, en condiciones con obras.

-80 -60 -40 -20 0 20 40 601190

1195

1200

1205

1210

RS = -60

Estación (m)

Ele

vació

n (

m)

Legend

Tr 100 años

Tr 50 años

Tr 2 años

Cauce



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45

Gráfica 13. Sección transversal río Las Vacas, en condiciones iniciales.

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 401183.5

1184.0

1184.5

1185.0

1185.5

1186.0

1186.5

RS = -300

Estación (m)

Ele

vació

n (

m)

Legend

Tr 100 años

Tr 50 años

Tr 2 años

Cauce


Gráfica 14. Sección transversal río Las Vacas, en condiciones con obras.

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 401183

1184

1185

1186

1187

1188

1189

RS = -300

Estación (m)

Ele

vació

n (

m)

Legend

Tr 100 años

Tr 50 años

Tr 2 años

Cauce



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46

Nótese que el cauce preferente del rio en condiciones actuales no es capaz de conducir una crecida correspondiente al periodo de retorno de 2 años (crecida considerada normal), en las figuras con intervenciones propuestas se puede notar que al construir estas se evita el desbordamiento en la margen izquierda asi evitando que se trasvase el rio las Vacas al Chinautla antes de su confluencia. Al igual que el perfil, las secciones nos dan datos de elevación de niveles, por lo que para realizar el análisis completo se necesita conocer los parámetros hidráulicos para el punto de intervención. En los cuadros 15 y 16 se presenta el resumen de los parámetros hidráulicos de la sección arriba representada, estos cuadros corresponden a las condiciones iniciales y las condiciones con obras propuestas de la sección antes mencionada. Cuadro 15. Resumen de parámetros hidráulicos sección 0-060 condiciones iniciales.

Q TotalElevacion

min canal

Niveles de

agua

Linea de

Energia

Pendiente

energiaVelocidad Area

(m3/s) (m) (m) (m) (m/m) (m/s) (m2)

0-060 100 72 1190.63 0.83 1191.71 0.01312 2.25 33.04

0-060 50 111 1190.63 1.02 1191.92 0.011998 2.67 48.49

0-060 30 140 1190.63 1.11 1192.06 0.011615 2.89 56.74

0-060 20 172 1190.63 1.21 1192.2 0.010512 3.03 66.81

0-060 10 193 1190.63 1.26 1192.28 0.010744 3.18 71.36

0-060 5 219 1190.63 1.34 1192.38 0.010197 3.29 78.69

0-060 2 258 1190.63 1.43 1192.52 0.009837 3.46 88.44

SECCION 0-060 RIO LAS VACAS CONDICIONES INICIALES

Estacion Tr años


Cuadro 16. Resumen de parámetros hidráulicos sección 0-060 condiciones con obras.

Q TotalElevacion

min canal

Niveles de

agua

Linea de

Energia

Pendiente


(m3/s) (m) (m) (m) (m/m) (m/s) (m2)

0-060 100 72 1190.63 0.83 1191.71 0.01312 2.25 33.04

0-060 50 111 1190.63 1.02 1191.92 0.011998 2.67 48.49

0-060 30 140 1190.63 1.11 1192.06 0.011615 2.89 56.74

0-060 20 172 1190.63 1.21 1192.2 0.010512 3.03 66.81

0-060 10 193 1190.63 1.26 1192.28 0.010744 3.18 71.36

0-060 5 219 1190.63 1.34 1192.38 0.010197 3.29 78.69

0-060 2 258 1190.63 1.43 1192.52 0.009837 3.46 88.44

SECCION 0-060 RIO LAS VACAS CONDICIONES CON OBRAS

Estacion Tr años



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En el resumen de los parámetros hidráulicos podemos hacer mención que estos no cambian debido a que existe un desbordamiento hacia la margen derecha el cual tiene un área para que este divague.

Río Chinautla Gráfica 15. Perfiles río Chinautla, en condiciones iniciales.

0 100 200 300 400 5001180

1181

1182

1183

1184

1185

1186

1187

1188

1189


Ele

vació

n (

m)

Legend

Tr 100 años

Tr 50 años

Tr 2 años

Cauce

Banco Izquierdo

Banco Derecho

chinautla p


En el perfil anterior se puede observar que lon niveles de agua correspondientes a los periodos de retorno de 2, 50 y 100 años quedan fuera de los bancos del canal principal.


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48

Gráfica 16. Sección transversal río Chinautla, en condiciones iniciales.

-150 -100 -50 0 50 100 1501182

1184

1186

1188

1190

1192

RS = 0

Estación (m)

Ele

vació

n (

m)

Legend

Tr 100 años

Tr 50 años

Tr 2 años

Cauce


Gráfica 17. Sección transversal río Chinautla, en condiciones con obras.

-150 -100 -50 0 50 100 1501182

1184

1186

1188

1190

1192

1194

1196

RS = 0

Estación (m)

Ele

vació

n (

m)

Legend

Tr 100 años

Tr 50 años

Tr 2 años

Cauce



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49

Gráfica 18. Sección transversal río Chinautla, en condiciones iniciales.

-200 -150 -100 -50 0 501180

1182

1184

1186

1188

1190

1192

1194

RS = -220

Estación (m)

Ele

vació

n (

m)

Legend

Tr 100 años

Tr 50 años

Tr 2 años

Cauce


Gráfica 19. Sección transversal río Chinautla, en condiciones con obras.

-200 -150 -100 -50 0 501180

1182

1184

1186

1188

1190

1192

1194

RS = -220

Estación (m)

Ele

vació

n (

m)

Legend

Tr 100 años

Tr 50 años

Tr 2 años

Cauce


En las secciones anteriores se puede observar que en este punto de intervención tiene la capacidad de conducir un caudal con periodo de retorno de 100 años, con


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50

esto se puede decir que las obras ayudaran a evitar la erosión del talud y así proteger la carretera. Cuadro 17. Resumen de parámetros hidráulicos sección 1+420 condiciones iniciales.

Q TotalElevacion

min canal

Niveles de

agua

Linea de

Energia

Pendiente


(m3/s) (m) (m) (m) (m/m) (m/s) (m2)

0-200 100 79 1182.14 0.69 1182.9 0.00214 1.15 66.42

0-200 50 121 1182.14 0.9 1183.14 0.00235 1.4 86.25

0-200 30 153 1182.14 1.04 1183.3 0.002503 1.56 99.33

0-200 20 189 1182.14 1.17 1183.45 0.002671 1.73 113.01

0-200 10 212 1182.14 1.25 1183.55 0.002741 1.82 121.92

0-200 5 241 1182.14 1.36 1183.67 0.002743 1.9 134.11

0-200 2 284 1182.14 1.49 1183.81 0.002898 2.07 148.69

SECCION 0-200 RIO CHINAUTLA CONDICIONES INICIALES

Estacion Tr años


Cuadro 18. Resumen de parámetros hidráulicos sección 1+420 condiciones con obras.

Q TotalElevacion

min canal

Niveles de

agua

Linea de

Energia

Pendiente


(m3/s) (m) (m) (m) (m/m) (m/s) (m2)

0-200 100 79 1182.14 0.69 1182.9 0.00214 1.15 66.42

0-200 50 121 1182.14 0.9 1183.14 0.00235 1.4 86.25

0-200 30 153 1182.14 1.04 1183.3 0.002503 1.56 99.33

0-200 20 189 1182.14 1.17 1183.45 0.002671 1.73 113.01

0-200 10 212 1182.14 1.25 1183.55 0.002741 1.82 121.92

0-200 5 241 1182.14 1.36 1183.67 0.002743 1.9 134.11

0-200 2 284 1182.14 1.49 1183.81 0.002898 2.07 148.69

SECCION 0-200 RIO CHINAUTLA CONDICIONES CON OBRAS

Estacion Tr años


En el resumen de los parámetros hidráulicos podemos hacer mención que las intervenciones no modifican el comportamiento del río, estas se realizaran para mantener confinado el rio y no restringirlo en un ancho pequeño.

Profundidad de socavación

Uno de los parámetros importantes que se deben de conocer en un río es la profundidad de socavación. Para establecer la profundidad de socavación en los ríos objeto de análisis se realizó por medio del método de Listchtvan y Levebien orientado a cauces naturales. Se evaluó la socavación máxima esperada en relación al caudal atribuido a cierta recurrencia. Los parámetros utilizados en la metodología corresponden a un período de retorno de 100 años, entre estos el ancho de la sección hidráulica y el tirante máximo. Adicional se necesita el valor


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del diámetro mínimo representativo del material del cauce y en base a las observaciones en campo se estimó de 0.001 m. Los valores obtenidos para los tres ríos evaluados se presentan en el cuadro 19. Cuadro 19. Profundidades de socavación

Río hs (m)

Chinautla 1.35

Las vacas antes del río Chinautla 1.18

Las Vacas antes del río Tzaljá 1.82

Tzaljá 0.7

Las Vacas despues del Tzalja 1.45

PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN


Debido a las intensas actividades realizadas en el cauce del río respecto a la explotación de materiales pétreos, el valor de la socavación puede variar significativamente, especialmente porque no es una actividad controlada que responda al resultado de un estudio; por lo tanto de acuerdo a las observaciones en campo sobre la forma y cantidades que se extraen, se recomienda que para todas las obras se utilice el valor de socavación más alto, es decir utilizar como mínimo el valor obtenido en el tramo del río Las Vacas después de su confluencia con el río Chinautla 1.82 metros, para facilidad de medida se puede optar por usar 2.00 metros. Esta profundidad se debe de medir a partir del nivel medio del lecho del río.

Hidráulica del cauce bajo el puente Chinautla Para remarcar la importancia de la hidráulica del cauce bajo un puente, se transcribe el siguiente párrafo: “Los puentes ubicados en el cruce con un curso de agua deben ser diseñados de modo que las alteraciones u obstáculos que estos representen ante este curso de agua sean previstos y puedan ser admitidos en el desempeño de la estructura a lo largo de su vida útil o se tomen medidas preventivas. Para esto deben establecerse las características hidrogeodinámicas del sistema fluvial con el objeto de determinar la estabilidad de la obra respecto al comportamiento del cauce. Es importante considerar la posible movilidad del cauce, el aporte de escombros desde la cuenca y los fenómenos de socavación, así como la posibilidad de ocurrencia de derrumbes, delizamientos e inundaciones.


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Dado que, generalmente, el daño ocasional producido a la vía y accesos aledaños al puente ante una avenida extraordinaria puede ser rápidamente reparado para restaurar el servicio de tráfico y, de otro lado, un puente que colapsa o sufre daños estructurales mayores ante la erosión puede amenazar la seguridad de los transeúntes así como crear impactos sociales y pérdidas económicas significativas por un largo periodo de tiempo, debe considerarse mayor riesgo en la determinación del área de flujo a ser confinada por el puente que en la estimación de las profundidades de socavación. … En el caso de puentes sobre cursos de agua, la información sobre la geomorfología y las condiciones del subsuelo del cauce y alrededores son complementarias con aquella obtenida de los estudios hidrológicos. El diseño de los elementos de la subestructura se realizará tomando encuenta los aspectos de ingeniería estructural, geotécnica e hidráulica en forma conjunta. El nivel de ubicación de la cimentación depende del tipo de cimentación, esto es, si es superficial o profunda, va apoyada sobre roca o suelo, etc., y deberá estar por debajo de las profundidades de socavación estimadas.”1 Los párrafos anteriores son particularmente importantes de remarcar, ante todo cuando los registros de colapsos de estas estructuras indican que un gran porcentaje se debe a aspectos hidráulicos principalmente (capacidad hidráulica y socavación) màs que ascpectos de tipo estructural. Por lo anterior y como un aporte de este estudio, se ha realizado un análisis hidráulico del cauce en el ponteadero (en el lugar donde existe el acutal), para proponer una primera aproximación de algunos de los parámetros de diseño (longitud y claro vertical). Claro está que al momento de realizar los estudios complementarios para el diseño del puente, se deberá corroborar este análisis. Una primera aproximación no llevo a considerar los siguientes parámetros: a) Con una longitud de 35 metros. Para una Q100, como parámetro de diseño

recomendado, esta longitud sería suficiente, no obstante, las velocidades del flujo que se estiman son críticas para la estructura. La estructura estaría expuesta a una fuerte socavación. Por otro lado, la cantidad de basura que arrastra la corriente es considerable, por lo tanto hay que considerar mayor claro vertical. Ver gráfica 20 y cuadro 20.

1 Manual de Diseño de Puentes. Ministerio de Transportes y Comunicaciones, Dirección General de Caminos y

Ferrocarriles. Lima, Perú. 2003.


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Gráfica 20. Sección transversal río Chinautla, con puente y perfiles de agua.

-100 -50 0 50 100 1501184

1186

1188

1190

1192

1194

1196

RS = 10 BR

Estaci ón (m)

Ele

vac

ión

(m)

Legend

Tr 100 años

Tr 50 años

Tr 2 años

Puente

Terreno Natural


Cuadro 20. Parámetros hidráulicos para una longitud de 35 metros

Q TotalElevacion

min canal

Niveles de

agua

Cota del

puente

Linea de

Energia

Pendiente


(m3/s) (m) (m) (m) (m) (m/m) (m/s) (m2)

Puente 2 79 1184.07 1.7 1188 1186.2 0.004114 2.89 28.05

Puente 50 241 1184.07 3.05 1188 1187.79 0.003775 3.86 71.35

Puente 100 284 1184.07 3.25 1188 1188.09 0.00403 4.17 77.97

SECCION BAJO EL PUENTE CHINAUTLA

Estacion Tr años


b) Con una longitud de 60 metros. Siempre para un Q100, los niveles son

menores y las velocidades disminuyen aceptablemente (nivel máximo de crecida = 1.20 metros y Velocidad media = 3.29 m/seg). El claro vertical debera estar por el orden de los 4 metros. La capacidad hidráulica considera tanto los niveles de agua, como el material flotante y el colmatamiento del canal del río. La profundidad de socavación se estima en 1.50 metros. Ver gráficas 21,22 y 23, así como cuadro 21.


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Gráfica 21. Perfiles de agua para una longitud del puente de 60 metros

-100 -50 0 50 100 1501184

1186

1188

1190

1192

1194

1196

RS = 10 BR

Estaci ón (m)

Ele

vac

ión

(m)

Legend

Tr 100 años

Tr 50 años

Tr 2 años

Cauce


Grafica 22. Velocidades en el ponteadero.

-100 -50 0 50 100 1501184

1186

1188

1190

1192

1194

1196

RS = 10 BR

Estaci ón (m)

Ele

vac

ión

(m)

Legend

Tr 100 años

0 m/s

1 m/s

2 m/s

3 m/s

4 m/s

5 m/s

Ground



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Grafica 23. Profundidades de socavación en el ponteadero.

-100 -50 0 50 100 1501184

1186

1188

1190

1192

1194

1196

Bridge Scour RS = 10

Estaci ón (m)

Ele

vac

ión

(m)

Legend

WS Tr 100 años

Ground

Levee

Bank Sta

Contr Scour

Total Scour


Cuadro 21. Parametros hidraulicos para el puente de 60 metros

Q TotalElevación min

canalNiveles de agua

Cota del

puenteSocavación

Línea de

Energía

Pendiente

energíaVelocidad Área

(m3/s) (m) (m) (m) (m) (m) (m/m) (m/s) (m2)

Puente 2 79 1184.07 0.6 1188 1.5 1185.8 0.00383 2.43 32.61

Puente 50 241 1184.07 0.9 1188 1.5 1187.2 0.00344 3.36 79.96

Puente 100 284 1184.07 1.2 1188 1.5 1187.4 0.00275 3.29 98.56

SECCION BAJO EL PUENTE CHINAUTLA

Estación Tr años


Resumen de parámetros hidráulicos

En los cuadros siguientes se resumen los parámetros hidráulicos para cada uno de los ríos analizados.


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Cuadro 22. Resumen de parámetros hidráulicos río Chinautla

Caudal (m3) 241 284

Velocidad (m/s) 3.9 4.1

Seccion Hidraulica (m2) 81.2 91.5

Tirante (m) 2.7 2.9

Ancho b (m) 30 30

Profundidad de socavacion (m) 1.35

PARAMETROS HIDRAULICOS RIO CHINAUTLA

Parametros Tr 50 años Tr 100 años


Cuadro 23. Resumen de parámetros hidráulicos río Las Vacas antes de su confluencia con el río Chinautla

Caudal (m3) 219 258



Tirante (m) 2.1 2.6

Ancho b (m) 35 35



PARAMETROS HIDRAULICOS RIO LAS VACAS ANTES DE LA

CONFLUENCIA CON RÍO CHINAUTLA


Cuadro 24. Resumen de parámetros hidráulicos río Las Vacas después de su confluencia con el río Chinautla

Caudal (m3) 457 539



Tirante (m) 3.05 3.35

Ancho b (m) 55 55



PARAMETROS HIDRAULICOS RIO LAS VACAS DESPUES DE LA

CONFLUENCIA CON RÍO CHINAUTLA



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Cuadro 25. Resumen de parámetros hidráulicos río Tzaljá

Caudal (m3) 134 159



Tirante (m) 1.75 2.1

Ancho b (m) 20 20


PARAMETROS HIDRAULICOS RIO TZALJA



Cuadro 26. Resumen de parámetros hidráulicos río Las Vacas después de su confluencia con el río Tzaljá

Caudal (m3) 591 698


Seccion Hidraulica (m2) 132 147

Tirante (m) 2.2 2.45

Ancho b (m) 60 60



PARAMETROS HIDRAULICOS RIO LAS VACAS DESPUES DE LA

CONFLUENCIA CON RÍO TZALJA



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8. OBRAS DE CONTROL Y PROTECCIÓN PROPUESTAS Diques longitudinales de encauzamiento Los diques longitudinales, motas o bordas, son las obras lineales que defienden el territorio de la inundación y definen un cauce de avenidas. Estas dos nociones son diferentes pero complementarias. Para hablar de un cauce de avenidas propiamente dicho hay que pensar en un dique longitudinal por cada margen del río y con una alineación conforme a la idea de que el agua circula, es decir, no necesariamente rectas pero sí por ejemplo sin salientes ni rincones. Un encauzamiento tal se proyecta para un cierto caudal de avenida. Diseño El caudal de diseño es el correpondiente al periodo de retorno (Tr=100) de cien años. La determinación de la altura esta en función del máximo nivel de agua y del bordo libre y el ancho de la corona, se diseña de acuerdo a las características de cada río y de cada sección:

Cuadro No 27. Recomendaciones de bordo libre y ancho de corona

Rio Tramo Descarga de diseño

Q100(m3/seg)

Bordo libre (m) Ancho de corona

(m)

Chinautla Antes de la confluencia 284 0.80 3.00

Las Vacas Antes de la confluencia 258 0.80 3.00

Las Vacas Después de la confluencia 539 1.00 4.00

Tzaljá Antes de la confluencia 159 0.60 3.00

Las Vacas Después de la confluencia con el Tzaljá

698 1.00 4.00

Para uniformizar el diseño tomaremos la condición más crítica, estableciendo como bordo libre 1.00 metro y ancho de corona de 4.00 metros. Cimentaciones de arena y grava. Son depósitos aluviales relativamente permeables. En este caso se debe evitar que la carga de agua durante la ocurrencia de la avenida de diseño origine una magnitud de filtración subterránea tal que el agua comience arrastrar los materiales finos del suelo, originando problemas de tubificación. Una solución podría ser la construcción de un dentellón impermeable, o de una trinchera impermeable.


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Determinación de los taludes laterales. La pendiente adecuada de los taludes del dique se determina teniendo en cuenta el material de construcción del dique, y el resultado de los análisis de estabilidad. De acuerdo con las observaciones de campo el material no es adecuado para la construcción de este tipo de estructuras, no obstante, su utilización es necesaria y por lo tanto se proyecta un talud 1:2 en el talud aguas arriba y 1:1.5 en el talud aguas abajo. Filtración en diques Consideraciones Generales Los suelos utilizados en la construcción de los diques son en gran o menor medida permeables. Por lo tanto a través del cuerpo y cimentación del dique existe un flujo filtrante. La superficie libre de este flujo filtrante se llama Línea de Saturación

Figura 1. Red de filtración de un dique asentado sobre terreno con fundación impermeable

En la zona de saturación el material esta en suspensión debido a la presión hidrostática, afectado por las fuerzas de filtración (presión hidrodinámica), que tiende a desplazar a las partículas pequeñas del suelo en dirección hacia aguas abajo, originando el fenómeno de tubificación Seguridad contra las fallas por filtración a) Tal como se indica, el agua que filtra a través del cuerpo y cimentación de la

presa, puede arrastrar partículas del suelo b) Toda superficie de descarga de filtración, que puede estar afecta al fenómeno

de tubificación, debe ser protegida con filtros de materiales lo suficientemente seguros, que permitan al flujo escapar libremente

Filtros Las funciones principales de los filtros son:


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1. Abatir la presión neutral en el agua que se infiltra en la cortina, con lo que se tendrá un mejoramiento de la resistencia al esfuerzo cortante del material y de la estabilidad del dique.

2. Un control del agua que se infiltra a través del dique, a la que se impide arrastrar el material fino del mismo.

Para este caso se utilizará un geotextil tipo Nt 3000 Análisis de Estabilidad Mediante el análisis de estabilidad se verifica los taludes asumidos en el dique, en base a las recomendaciones dadas en función del tipo de suelo usado. Para este caso, debido a razones presupuestarias no se realizaron ensayos de suelos al material del cauce del río y por lo tanto no se realiza un análisis de estabilidad, sin embargo, el diseño obedece a la experiencia adquirida en proyectos con caracterísitcas similares. Revestimientos de Protección

Debido a que estos diques se construyen generalmente de grava, arena, y porcentajes de limos y arcilla, es necesario protegerlos de la erosión y de las filtraciones de agua

Se pueden usar, entre otros materiales, los enrocados de protección, o los colchones de gaviones

Se debe proteger también el pie del dique contra los fenómenos de Socavación

DISEÑO DE REVESTIMIENTOS CON GAVIONES

El revestimiento tiene por objetivo proteger el material de las riberas contra los efectos de la erosión.

El revestimiento se apoya sobre un talud estable. Se realiza con los gaviones tipo “Colchón”.

Predimensionamiento de colchones A.- Determinación de velocidades actuantes:

Flujo Uniforme: F. Manning V = R2/3xS1/2 n


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donde: V = Velocidad Media R = Radio Hidráulico S = Pendiente de fondo n = Coef. De Rugosidad de Manning

En la sección 7, Análisis hidraulico, se establecen los parámetros hidráulicos de diseño, siendo la condición más critica despues de la confluencia de los tres ríos. Velocidad media para este tramo es 4.47 m/s. B.-Predimensionamiento de espesores y tamaño de relleno: Cuadro No. 28

Velocidad Crítica: Velocidad que puede soportarse sin inicio de movimiento de piedras en colchón. Velocidad Límite: Velocidad que puede soportarse admitiendo modestas deformaciones debido al movimiento de piedras en colchón C.- Predimensionamiento de colchones:


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El colchón que se vende en el mercado es de 0.23x4.00x2.00, abertura de malla

8cm x 10 cm, alambre Φ 2.70 mm

VERIFICACION DE ARRASTRE DE COLCHONES POR VELOCIDADES A.- Determinación de Velocidad Crítica

Se predimensiona el diámetro medio del material de relleno de los gaviones.

Se lee el valor de velocidad crítica en la gráfica 20.

Gráfica 24. Velocidad Crítica Vc que causa el movimiento de las partículas en función de su tamaño. Fuente: MACAFERRI


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El diámetro medio de diseño del material de relleno de los gaviones es 0.15 metros. De acuerdo con la figura xxx, la velocidad crítica es 4.0 m/s B.- Verificación: Si V > Vc habrá arrastre de colchones, se debe incrementar espesor del colchón.

V = 4.47 m/s > Vc = 4.0 Habrá arrastre de colchones, es necesario incrementar

espesor del colchón VERIFICACION DE ARRASTRE DE MATERIAL DE COLCHONES POR ESFUERZOS CORTANTES A.- Determinación de esfuerzos cortantes actuantes en los taludes:

τa = K.γ.h.S

donde:

τa: Esfuerzo cortante Máximo (kg/m2)

γ : Peso específico del Agua (1000 kg/m3)

h: Tirante máximo (2.50 m. Ver Sec. Hidráulica) S: Pendiente longitudinal del fondo del canal (0.027 m/m. Ver Sec. Hidrología) K: Coeficiente que depende del talud (0.75) Para este caso,

τa = 50.62 kg/m2

B.-Determinación de Esfuerzos Cortantes Críticos sobre la orilla:

τc= C´.(γs – γw)dm.K donde:

τc : Esfuerzo Cortante Crítico en la orilla (kg/m2)

C´: Coeficiente de Shields (0.10)

γs : Peso Específico de la piedra del colchón (2500 kg/m3)

γw : Peso Específico del agua(1000 kg/m3)


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dm: Diámetro Medio de la piedra del colchón (0.15 m)

K = (1 – sen2α / sen2ψ)1/2

donde:

α: Angulo que forma el talud con la horizontal (27º)

ψ: Angulo de reposo de la piedra del colchón ( aprox. 41o)

K = 1.36 y τc = 30.6 kg/m2

C.- Verificación. Si:

τa > τc

El revestimiento será inestable. Se debe incrementar espesor del colchón Dimensionamiento del colchón de diseño: 0.30 m x 4.00 m x 2.00, abertura de

malla 8cm x 10 cm, alambre Φ 2.70 mm, con diámetro medio de diseño del

material de relleno de los gaviones de 0.20 metros.


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Imagen 16. Esquema general de las obras propuestas

Fuente: Propia


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Esquema 3. Sección típica del dique longitudinal con revestimiento para proteger la margen izquierda del río Las Vacas

MATERIAL DEL

LECHO DEL RIO

GEOTEXTIL

TIPO NT 3000

NIVEL MEDIO

DEL LECHO

SECCIÓN A - A´

ESCALA 1:100

REVESTIMIENTO CON COLCHONETA

DE GAVION RELLENA DE PIEDRA BOLA

DE DIAMETRO 8" A 10" Y CON

RECUBRIMIENTO DE PVC

9. ESTIMACIÓN DE COSTOS: Con base en los diseños propuestos, se estiman los siguientes costos.

U Cantidad

m2 2,500.00

m3 500.00

U 1,999.00

m3 950.00

m3 15.00

m3 44,000.00

m3 41,800.00

m3-km 19,510.00

Global 1.00

Unidad 100,024.75

TOTALES PROYECTO: Q5,222,640.95

Co.701.09 (f) Trabajos por Administracion (dragados) Q1.00 Q100,024.75

TOTALES COMPONENTE UNICO: Q5,222,640.95

Co 701.08 (d) Acarreo de material dragado Q7.30 Q142,423.00

Co 801.02 Dispositivos para el control temporal de transito Q17,000.00 Q17,000.00

Co 701.03 Dragado Sin Acarreo Q41.10 Q1,808,400.00

Co 701.04 Dragado Con Acarreo Q46.85 Q1,958,330.00

Co 401.02 Gaviones Q988.00 Q938,600.00

Co 402.01 Mampostería Q1,354.20 Q20,313.00

Az 802.02 Capa vegetal Q94.70 Q47,350.00

Az 804.02 Plantas, arboles, arbustos y enredaderas Q24.80 Q49,575.20

Renglón Renglón Descripción Precio Costo

COMPONENTE UNICO

Az 801.03 (d) Geotextiles Tipo IV y Tipo V Q56.25 Q140,625.00


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10. RECOMENDACIONES:

1. De acuerdo con las observaciones en campo, es recomendable ampliar estos estudios para proyectar obras de control y protección aguas arriba de las confluencias, en los ríos Chinautla y Tzaljá. Principalmente en el río Chinautla a la altura de la población de Santa Cruz Chinautla. Los alcances de este estudio no contemplan el diseño de tales obras.

2. Dadas las condiciones hidráulicas del puente conocido en el lugar como Chinautla, en la ruta RD-GUA-04, se recomienda sustituir el puente existente por otro con la capacidad hidráulica necesaria. En la sección 7- Analisis hidráulico, se realizó un breve análisis y resultado del mismo, desde el punto de vista de la hidráulica del cauce se sugiere un puente de 60 metros de longitud y 4 metros, mínimo, de claro vertical.

3. Se recomienda ampliar también los estudios para evaluar las condiciones

geológicas y geotécnicas del trazo de la carretera existente, y su interacción con las condiciones hidráulicas de los ríos estudiados.

4. Como los alcances de este estudio tampoco considera evaluar el impacto

de la estracción de áridos en el comportamiento del río, se recomienda realizar los estudios necesarios de arrastre de sedimentos para realizar un plan de explotación adecuado. Dicho estudio debe ser realizado por los interesados en la explotación de áridos.

5. Dada la cantidad de arrastre de sedimentos que se da en el lugar, se

recomienda formular un plan de mantenimiento del cauce y de las obras de control y protección que se proyectan. El mantenimiento se recomienda sea anual.

11. LITERATURA CONSULTADA

1. El Tratamiento de los cauces. Protección y defensa de avenidas. Zonas de riesgo. Artículo. Herrera Espino, José Alberto, y Marín Pacheco, Gonzalo.

2. Juan P. Martín Vide. INGENIERÍA DE RIOS. Ediciones UPC, S.L.; Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona, España. Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México. 2003.


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3. Colin R. Thorne. Manual para el Reconocimiento de Ríos. Departamento de Geografía, Universidad de Nottingham, Reino Unido. Traducción y Adaptación: Prof. Berta Callén e Ing. Oswaldo Juárez.

4. Maria Elvira Guevara A. CURSO DE SOCAVACIÓN EN PUENTES. Universidad del Cauca, Popayán, Colombia, 2008.

5. Mynor Estuadro Lemus Urbina. MUNICIPIO DE CHINAUTLA. Facultad de Humanidades. USAC. Trabajo de maestria.

6. LA CONTAMINACIÓN DE LA CUENCA NORTE DE LA CIUDAD DE GUATEMALA Y LA GESTION AMBIENTAL DE LOS POBLADORES DE SANTA CRUZ CHINAUTLA. Centro de Estudios Urbanos y Regionales, Dirección General de Investigación, USAC. 1999.

7. Sitios de la Web consultados:

http://www.servir.net/tormenta_tropical_agatha_mayo_2010 http://www.eprsiepac.com/documentos/guatemala/Documento%20final%206a1.pdf http://www.proventionconsortium.org/themes/default/pdfs/CRA/Guatemala.pdf

http://www.servir.net/tormenta_tropical_agatha_mayo_2010

http://www.eprsiepac.com/documentos/guatemala/Documento%20final%206a1.pdf

http://www.eprsiepac.com/documentos/guatemala/Documento%20final%206a1.pdf

http://www.proventionconsortium.org/themes/default/pdfs/CRA/Guatemala.pdf

http://www.proventionconsortium.org/themes/default/pdfs/CRA/Guatemala.pdf


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ANEXO

PLANOS

Documents

ESTUDIO BASICO PARA EL DISEÑO DE LAS OBRAS DE CONTROL Y PROTECCIÓN EN EL