Valoración De Cambios Hidrológicos En La Cuenca Del Río Bogotá* Assessment of Hydrologic Changes in the Bogotá River Basin
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DOSSIER 77 Valoración de cambios hidrológicos en la cuenca del río Bogotá* Assessment of Hydrologic Changes in the Bogotá River Basin Mario A. Díaz-Granados Ortiz(1)* y Luis A. Camacho Botero(2)* (1) MSCE, Profesor Titular, [email protected] (2) PhD, Profesor Asociado, [email protected] * Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia, Palabras claves Key words cuenca del río Bogotá, estacionaridad, diseño hidrológico.. Bogotá river basin, hydrologic design, stationary. Resumen Abstract 8 M 8- hidrológico asociado a eventos extremos, algunas consi- logic design related to extreme events, with some consi- deraciones sobre la suposición de estacionaridad, e impli- derations regarding stationarity, and implications of the caciones de la no estacionaridad en el diseño hidrológico. nonstationarity on hydrologic design. Some analyses are Se muestran algunos análisis que pretenden ilustrar varia- shown to illustrate hydrologic variations in the Bogotá ri- ciones hidrológicas en la cuenca del río Bogotá, mediante ver basin, using statistical tests for trends and step jumps pruebas estadísticas de tendencias y saltos; cambios en in the mean, changes in soil uses and urbanization proces- el uso del suelo y procesos de urbanización; agradación ses, sedimentation of streams in some reaches, and inclu- del fondo del cauce en algunos tramos, e inclusión de fe- sion of macroclimatic phenomena in frequency analysis nómenos macroclimáticos en el análisis de frecuencia de 8! caudales máximos. Por último, se presentan algunas con- """- 78- ces that affect hydrologic systems. Likewise, it presents rales y antrópicas que afectan los sistemas hidrológicos. the need of historical data analysis with contextual sup- Asimismo, plantea la necesidad de análisis de los registros porting information, and the importance of incrementing hidrológicos existentes, junto con información contextual, hydrologic measurements, analysis and modeling in the y la importancia de incrementar los esfuerzos de medición, Bogotá river basin. análisis y modelación en la cuenca del río Bogotá. Introducción tividades antropogénicas que afectan contaminación se basan en una magni- notoriamente el balance hídrico de la tud hidrológica de diseño, que permite Este artículo tiene por objeto mostrar cuenca. Antes de estos análisis, y con el dimensionar la estructura. Esta magni- algunos análisis básicos y simples que objetivo de enfocarlos al contexto del tud tiene dos características importan- pretenden ilustrar lo que puede estar Foro “Hidrología de extremos y cambio tes: (1) un valor límite superior, y (2) pasando en la cuenca del río Bogotá en climático”, se considera importante re- una estructura probabilista representa- relación con la magnitud y frecuencia cordar algunos conceptos de hidrología da por una función de densidad de pro- de eventos hidrológicos, debido no sólo relacionados con el riesgo hidrológico babilidad asociada, con base en la cual a la variabilidad climática y el cambio que está presente en los diseños de es- 7 I climático, sino también a la dinámi- tructuras hidráulicas e infraestructura. a diferentes magnitudes hidrológicas. ca de la ocupación del espacio y usos Los diseños de estructuras para control En algunos casos, se utiliza –como va- del suelo asociada a las diferentes ac- de inundaciones, drenaje y control de lor de diseño– el valor límite superior, * Éste artículo es el resultado de la ponencia de Mario A. Díaz-Granados y Luis Camacho, que se llevó a cabo en el foro “Hidrología de extremos y cambio climático”, realizado en la Universidad de los Andes el día 28 de junio de 2011. #36 Revista de Ingeniería. Universidad de los Andes. Bogotá D.C., Colombia. rev.ing. ISSN. 0121-4993. Enero - junio de 2012, pp. 77-85. 78 DOSSIER Mario Díaz-Granados et al. / Revista de Ingeniería, #36, 2012, pp. 77-85 por ejemplo, en el diseño de vertederos :GC:8V`3QRQRV`V Q`JQRVR1VMQVJ`%JH1SJRVC`1V$Q:%I1RQ7RVC:01R:'CV]V`:R:RVC:V `%H %`: de grandes presas donde éstos se dise- %VJ V8QI:RQRV`a ñan para la creciente máxima probable 1R:'CV]V`:R:^:MQ_ (conceptualmente no habría ninguna Riesgo amenaza residual). Sin embargo, en la mayoría de los casos, los diseños se 8 realizan con base en el concepto de pe- 8 ríodo de retorno de diseño. El período 8 7 V 8 23 de años que en promedio la magnitud hidrológica es igualada o excedida y, 8 por lo tanto, los diseños hidrológicos 8 basados en períodos de retorno conlle- 8 van intrínsecamente una amenaza hi- 8 6 drológica residual. Reiterando, muchas 8 42 63 estructuras hidráulicas se diseñan con 8 4 32 63 OI retorno de diseño y, consecuentemente, 8 3 22 33 44 tienen amenaza hidrológica residual 8 2 4 26 34 expresada como una probabilidad de que la estructura sea hidrológicamente R sobrepasada [1]. Así, si una estructura diseñan hasta para 10.000 años [4], y donde representa la probabilidad de se diseña para un período de retorno de los diques de primer nivel entre 1250 que ocurra al menos un evento mayor o 100 años, se espera que sea sobrepasa- y 10.000 años [2]. En hidrología urba- igual que el de diseño (el cual tiene un da en promedio 1 vez cada 100 años, lo na los períodos de retorno de diseño período de retorno TD) durante la vida N A cual es equivalente a decir que la pro- pueden ser tan bajos como 2 o 3 años. útil esperada de la estructura. partir babilidad de que en cualquier año –de El Reglamento Técnico del Sector de de la Ecuación 1, la expresión para el la vida útil de la estructura– se presente Agua Potable y Saneamiento Básico período de retorno de diseño es: un evento igual o mayor que el de dise- (RAS) [5] prescribe períodos de retor- ño es de 1/100. no de diseño de alcantarillado pluvial 1 T = (2) o combinado según características del D 1– (1– R )1/N Selección del Período de área de drenaje (área, uso y pendiente) Retorno De Diseño y nivel de complejidad del sistema, con De acuerdo con la Ecuación 2, en valores que varían entre 2 y 50 años. la Tabla 1 se presentan valores de TD Existen varias maneras de escoger el El Instituto Nacional de Vías (INVIAS) valor del período de retorno [1]. La para diferentes niveles de adopción [6] prescribe períodos de retorno de di- de riesgo y valores de vida útil espe- primera y más fácil es la que se puede seño de acuerdo con el tipo de obra de denominar por prescripción, en la cual rada. Se observa que entre menor sea drenaje de carreteras así: 5 años para el riesgo asumido, T debe ser mayor, " 7 ' cunetas; 10 años para alcantarillas de D del período de retorno a utilizar. En el y que a mayor vida útil esperada (es 0.9 m de diámetro y 20 años para diá- decir mayor exposición) T debe ser caso de diques de protección de zonas metros mayores; 50 años para puentes D urbanas, por ejemplo, en los Estados mayor para un mismo nivel de riesgo con luz entre 10 y 50 m; y 100 años hidrológico. Nótese que diseños con T Unidos, se diseñan para 50 a 200 años para luces mayores que 50 m. D de período de retorno (el diseño están- igual a N implican un riesgo de 63%. +"7' En el diseño del sistema ataguía-túnel dar del Cuerpo de Ingenieros del Ejér- del período de retorno adoptando un ni- cito de los Estados Unidos (USACE) de desviación para la construcción de vel de riesgo hidrológico aceptable du- es de 200 años con borde libre míni- presas es usual adoptar un caudal de rante la vida útil de la estructura. El ries- mo de 0.9 m) [2]. Pero, debido a que diseño con TD de 50 años, el cual junto "O"<=>?JK el Programa Nacional de Seguros de con un período de exposición de 5 años Inundaciones cubre daños dentro de las N (equivalente a su vida útil), implica un 1 planicies de inundación que, estén pro- R = 1– 1M2 (1) riesgo hidrológico de 9.6%. El sismo T tegidas con diques diseñados para pe- D de diseño en las normas colombianas ríodos de retorno de al menos 100 años de construcción sismorresistente es de [3], este valor es ampliamente adopta- Con la suposición de que los eventos TD igual a 475 años, obtenido al asumir do. En Holanda, los diques costeros se extremos anuales son independientes, y un nivel de riesgo sísmico del 10% en Mario Díaz-Granados et al. / Revista de Ingeniería, #36, 2012, pp. 77-85 79 un lapso de 50 años [10]. Para el caso Lo anterior, nos deja una lección im- el futuro, e implica que cualquier va- de los diques holandeses con período portante: pocas estructuras hidráulicas riable hidrológica (por ejemplo caudal) de retorno de diseño de 10.000 años, se diseñan para soportar el peor evento tiene una función de densidad de pro- la Tabla 1 podría indicar un riesgo asu- hidrológico posible. Por el contrario, la babilidad invariante en el tiempo, cuyas mido de tan sólo 1% para una vida útil mayoría se diseñan para un determina- propiedades pueden ser estimadas de esperada de 100 años. En contraste, un do período de retorno y, por lo tanto, registros históricos [11]. Esta condición dique diseñado para 100 años de pe- existe una probabilidad de que sean so- implica que no hay tendencias, ni saltos ríodo de retorno, con una vida útil de brepasadas hidrológicamente en uno o en la media, y la varianza es constante 50 años, conllevaría un riesgo de 0.4, más momentos de su vida útil, trayen- a lo largo del tiempo. Esta suposición equivalente a decir que la probabilidad, do afectaciones a personas y bienes.