Capítulo 2 Modelo Fisiográfico
El análisis fisiográfico es fundamental para caracterizar las propiedades físicas de una zona de estudio, incluyendo su topografía, red de drenaje, tipos de suelo y cobertura vegetal. Estos elementos determinan en gran medida el comportamiento hidrológico de la cuenca y su respuesta ante eventos de precipitación.
2.1 Topografía documentada
Para el presente estudio, se utilizó la información publicada en el geoportal Continuo de Elevaciones Mexicano 3.0 con una resolución de 5 x 5 metros y datum ITRF08 edición 2014. Los datos fueron obtenidos en junio de 2024 y procesados en el Sistema de Referencia de Coordenadas EPSG:32614 WGS 84 / UTM zona 14N, en unidades métricas.
Figura 2.1: Avenidas pluviales del Parque Industrial El Marqués
Al comparar el MDE con la imagen satelital se puede observar que no está actualizado ya que no corresponde al área de escurrimiento que genera el Parque Industrial El Marqués. Sin embargo se propone utilizar esta información para tener una aproximación del caudal que sirva para dimensionar las SbN que permitan mitigar los riesgos de inundación presentes en la granja.
2.2 Delimitación del área de escurrimiento y red hidrográfica
Figura 2.2: Delimitación de la cuenca de aportación
La zona analizada, pertenece a la Región Hidrográfica Lerma - Santiago y forma parte de la cuenca abierta Río Laja. Presenta un área de drenaje de 1.04 km2, delimitada por un perímetro de 8.49 km y una longitud de 2.14 km, clasificándose como una cuenca Muy pequeña conforme a la tabla 2.1, de los Apuntes de Hidrología Urbana (Rivera and B. 1995).
| Clasificacion | Rango_tamaño_km2 |
|---|---|
| Muy pequeña | < 25 |
| Pequeña | 25 - 250 |
| Intermedia pequeña | 250 - 500 |
| Intermedia grande | 500 - 2,500 |
| Grande | 2,500 - 5,000 |
| Muy grande | > 5,000 |
La elevación media de la cuenca, 1940.98 msnm, y la pendiente de la cuenca, 5.25 %, son valores que se obtienen consultando las estadísticas de los rasters generados en QGIS.
El cauce principal, con una longitud de 1.84 km, nace en el Parque Industrial Bernardo Quintana y descarga en la localidad de Caro, específicamente en el drenaje de tormenta que recién construyeron.
2.3 Descripción del Relieve
Para describir el relieve, se presenta la relación de enlongación, que caracteriza el relieve, cuya fórmula es \[R_e = 1.128 \frac{\sqrt{\ A}}{L_m}\] y el coeficiente de compacidad, que indica la geometría de la cuenca, cuya fórmula es \[K_c = 0.282\frac{P}{\sqrt{A}}\].
El valor de la relación de enlongación, Re es 0.5 , por lo que consideramos que la cuenca tiene un relieve fuera de rango.
El valor del coeficiente de compacidad, kc es 2.332046 , por lo que consideramos que la cuenca tiene una forma alargada.
El relieve influye en la velocidad del escurrimiento, la erosión del suelo y el transporte de sedimentos. Un relieve fuera de rango y una forma alargada implican una mayor concentración de los flujos de escorrentía en el cauce principal, lo que aumenta el riesgo de inundaciones repentinas.
2.4 Red de drenaje
La red de drenaje de una cuenca hidrográfica desempeña un papel crucial en el movimiento y transporte del agua superficial, subsuperficial y subterránea, tanto de manera temporal como permanente (Daniel F. Campos Aranda 1998). Las características de esta red reflejan la eficiencia del sistema de drenaje de la cuenca y su capacidad para evacuar los excedentes de agua durante eventos de precipitación intensa.
2.4.1 Análisis de pendiente del cauce principal de la cuenca
El análisis del perfil longitudinal del cauce principal proporciona información sobre su pendiente, la cual influye en la velocidad del flujo y la capacidad de transporte de sedimentos.
Figura 2.3: Perfil del cauce principal
La pendiente del cauce principal se ha calculado usando tres diferentes fórmulas, las cuales se encuentran referenciadas en el manual de alcantarillado y saneamiento pluvial (CONAGUA 2019).
- Pendiente uniforme
- Pendiente por elevaciones constantes de Taylor - Shwarz
- Pendiente por longitudes constantes de Taylor - Shwarz
2.4.1.1 Pendiente uniforme
Esta pendiente se calcula a partir de la longitud total del cauce y la diferencia de elevación entre su punto inicial y final. La fórmula es \[ S_c = \frac{\Delta H}{L_{tc}} \label{eq:pendieteuniforme} \]
La pendiente media del cauce principal calculada con la fórmula de pendiente uniforme es: 0.02981294 m/m
2.4.1.2 Pendiente Taylor Schwarz - Elevaciones constantes
Esta fórmula considera que el río está formado de canales con pendientes uniformes, por lo que se segmenta en tramos equivalentes para poder calcular la pendiente media. \[S_{ec} = \left[\frac{l_t}{\sum_{i=1}^n\frac{l_i}{\sqrt{s_i}}} \right]^{2} \label{eq:pendietetaylorelev} \]
La pendiente media del cauce principal calculada con la fórmula de Taylor Schwarz por elevaciones constantes es: 0.0256369 m/m
2.4.1.3 Pendiente Taylor Schwarz - Longitudes constantes
Esta fórmula considera que el río está formado de canales con pendientes uniformes, por lo que se segmenta en tramos equivalentes para poder calcular la pendiente media. \[S_{lc} = \left[ \frac{n}{\sum_{i=1}^n\frac{1}{\sqrt{s_i}}} \right]^{2} \label{eq:pendietetaylorlong} \]
La pendiente media del cauce principal calculada con la fórmula de Taylor Schwarz por longitudes constantes es: 0.029436 m/m
Se hicieron corridas del modelo hidrológico con las pendientes de Taylor - Shwarz y uniforme, y se decidió usar la pendiente uniforme, debido a que genera resultados más conservadores.
Las memorias de cálculo que generan las pendientes Taylor - Shwarz se encuentran en el Ápéndice.
Las imágenes que se presentan a continuación muestran las condiciones actuales del drenaje de tormenta que pasa por un costado de la Granja La Familia Tilapia, el cual drena las aguas pluviales del Parque Industrial El Marqués. El drenaje comienza con unas rejillas circulares de 90 cm de diámetro, las cuales encauzan el agua en un canal abierto y al llegar a la escuela se convierte en un cajón pluvial de 2 metros x 2 metros.
Figura 2.4: Inicio del drenaje de tormenta
Figura 2.5: Canal drenaje de tormenta
Figura 2.6: Cajón pluvial
Las imágenes que se presentan a continuación muestran las condiciones de las avenidas del Parque Industrial El Marqués, las cuales drenan las aguas pluviales y las dirigen al drenaje de tormenta.
Figura 2.7: Avenida que drena las aguas pluviales del Parque Industrial El Marqués
Figura 2.8: Fin de la avenida que drena las aguas pluviales del Parque Industrial El Marqués
Los parámetros fisiográficos y geomorfológicos calculados se muestran en la siguiente tabla.
| Variable | Valor |
|---|---|
| Área de la cuenca (km^2) | 1.0391 |
| Perímetro de la cuenca (km) | 8.4900 |
| Longitud de la cuenca (km) | 2.1440 |
| Pendiente media de la cuenca (%) | 5.2500 |
| Elevación media de la cuenca (msnm) | 1940.9800 |
| Relación de elongación | 0.5000 |
| Coeficiente de compacidad | 2.3320 |
| Elevación inicial del cauce (msnm) | 1976.4623 |
| Elevación final del cauce (msnm) | 1921.4867 |
| Longitud total del cauce (km) | 1.8440 |
| Pendiente uniforme del cauce (%) | 2.9813 |
2.5 Estimación del coeficiente de escurrimiento
Dadas las características de la cuenca en estudio, con un área de 1.04 km2 y una naturaleza predominantemente urbana, se considera el uso del método racional, el cual es más adecuado para cuencas pequeñas y zonas urbanas. Por lo que en el estudio solo se usará el cálculo del Número de Curva para calcular el coeficiente de escurrimiento en La Granja.
2.6 Tiempos de estudio
En el presente estudio, se han revisado y comparado diferentes fórmulas empíricas propuestas por diversos autores para el cálculo de Tc. Si bien la fórmula de Kirpich es ampliamente aceptada a nivel internacional, es importante evaluar y comparar los resultados obtenidos con otros enfoques para garantizar la robustez y confiabilidad de los análisis.
2.6.1 Tiempo de concentracion por kirpich
La fórmula para calcular el tiempo por el autor Kirpich es la más usada a nivel global, su fórmula es \[ t_{c} = 0.0003245 \left(\frac{l_t}{\sqrt{S_{tc}}}\right)^{0.77} \].
El valor del tiempo de concentración calculado por Kirpich para toda el área de estudio es: 0.41 horas o 24.66 minutos .
2.6.2 Tiempo de concentracion por Rowe
La fórmula para calcular el tiempo por el autor Rowe se define en (CONAGUA 2019, pág. 41) con la siguiente expresión \[ t_{c} = \left(\frac{0.86l_t^{2}}{\sqrt{S_{lcm}}}\right)^{0.385} \].
El valor del tiempo de concentración calculado por Rowe para toda el área de estudio es: 0.41 horas .
2.7 Granja Familia Tilapia
Se estudia la fisiografía de La Granja para poder diseñar las SbN con las dimensiones y características apropiadas para conducir el agua pluvial excedente hacia zonas inundables que permitan un mejor manejo del agua.
Figura 2.9: Ortomosaico de La Granja La Familia Tilapia
Figura 2.10: Modelo Digital del Terreno de La Granja La Familia Tilapia
Los trazos de las curvas de nivel sirven para determinar los canales-camino que se tendrán que diseñar para dirigir el agua hacia las zonas inundables.
Figura 2.11: Prendiente reclasificada de La Granja La Familia Tilapia
El mapa de pendientes reclasificadas permite analizar que zonas son propensas a escurrir el agua con mayor velocidad y que zonas pueden ser inundables.
Figura 2.12: Tipo de suelo de La Granja La Familia Tilapia
El tipo de suelo es extraído del geoportal de la INEGI, especificamente la serie III de edafología, en donde se aprecia que La Granja se compone del suelo de tipo vertisol. Los vertisoles son suelos llamados pesados, se crean bajo condiciones alternadas de saturación-sequía, se forman grietas anchas, abundantes y profundas cuando están secos y tienen más de 30% de arcillas expandibles. Mediante un buen programa de labranza y drenaje son bastante fértiles para la agricultura por su alta capacidad de retención de humedad y sus propiedades de intercambio mineral con las plantas.
Es necesario realizar pruebas de infiltración en el terreno para saber con mayor precisión las áreas idóneas para implemetar las SbN.
Figura 2.13: Red de drenaje de La Granja La Familia Tilapia
Se creó la red de drenaje de La Granja, generando cuencas de aportación que generen un escurrimiento aprovechable que pueda ser dirigido hacia zonas que actualmente están en desuso y se podrían aprovechar como áreas inundables.
La cuenca de aportación 1 es la que tiene riesgos de inundación, debido a que cuando hay tormentas el canal abierto se desborda e inunda la cuenca de aportación 2 y algunas instalaciones en la cuenca de aportación 5.