ANÁLISIS DE INUNDACIÓN PARA LAS ÁREAS VULNERABLES DE SANTO DOMINGO

ANÁLISIS DE INUNDACIÓN PARA LAS ÁREAS VULNERABLES DE SANTO DOMINGO

Fuente: www.panoramio.com

Ambar Mesa

ESES Undergraduate Student, CCNY

Jorge E. Gonzalez, PhD

Mechanical Engineering Dept., CCNY

Moises Angeles, PhD

Mechanical Engineering Dept., CCNY

Introducción

El patrón atmosférico de la región del Caribe es controlado fundamentalmente por la temperatura de la superficie del mar, ondas del Este, divergencia de los vientos alisios, así como eventos de tele-conexión tales como El Niño-Oscilación del Sur. La convergencia de todos estos factores así como el desarrollo de anomalías debido a un calentamiento regional generan una región altamente vulnerable a eventos extremos tales como actividades ciclónicas, sequías, ondas de calor, entre otros eventos. República Dominicana es parte de las Antillas Mayores y la región del Caribe, siendo por ende afectada por el calentamiento regional detectado recientemente (Glenn et al., 2015). Una de las ciudades más vulnerables a inundaciones es la capital, Santo Domingo.

La región sureste del país frecuentemente es más afectada por huracanes y tormentas tropicales, lo que coloca a Santo Domingo como una de las áreas más afectadas por estos fenómenos. Uno de los eventos ciclónicos más dramáticos que ha impactado a esta ciudad y la parte sur del país fue el ciclón David en 1979. Este fenómeno fue de categoría 5, y destruyó 70% del alumbrado eléctrico y la red telefónica, también el acueducto de Santo Domingo fue gravemente afectado, según Ruddy German Pérez (2009). En este reporte, también se hace referencia a daños en la infraestructura de puentes, carreteras, canales de riego, entre otras estructuras.

Según estudios del Banco Interamericano de Desarrollo (2001), más de un 46% de los eventos de inundación ocurridos entre los años 1966 y 2000 se encuentran en zonas urbanas importantes tales como el Distrito Nacional (Santo Domingo) y varias ciudades de la sub-región del Cibao Central. Santo Domingo, posee uno de los ríos más caudalosos del país, el Río Ozama, donde la cuenca del río abarca 2,686 kilómetros cuadrados y recorre 148 kilómetros. Este estudio se enfoca en 4.38 kilómetros del río antes de desembocar en el mar Caribe, tal como se muestra en la figura.1. En las zonas aledañas al río se desarrollan tres tipos de actividades económicas: agropecuarias, industriales, y comercio marítimo.
El objetivo de la presente investigación es desarrollar una herramienta que permita identificar las zonas de riesgo de inundación debido a eventos de tormenta extremos. Por la importancia de la zona y su historial de inundaciones, la ciudad de Santo Domingo fue seleccionada para desarrollar esta investigación.

Figure 1 Área de estudio del Río Ozama en Santo Domingo

Metodología

El proyecto se ha dividido en dos secciones. La primera parte del proyecto consiste en el desarrollo de un análisis de frecuencia para determinar caudales extremos en el Río Ozama. Este análisis requiere información de caudales diarios del río Ozama y sus efluentes, los cuales fueron proporcionados por el Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos (INDRHI). La figura.2, obtenida del Plan Hidrológico Nacional por INDRHI, muestra la localización de las estaciones de caudal y sus respectivos periodos de datos. En este análisis, fue necesario seleccionar un periodo común (1967-1982) entre las estaciones para obtener el caudal total del río en el área de análisis. Este periodo fue seleccionado debido a que todas las estaciones compartían el mismo periodo de tiempo, siendo este periodo uno de los más completos. Posteriormente, los caudales de los afluentes fueron acumulados para obtener el caudal total del río en la zona de interés, durante el periodo de análisis.
Asimismo, fueron estimados los caudales correspondientes a diferentes periodos de retorno (25, 50, 75, y 100 años), utilizando los caudales máximos anuales y aplicándoles la distribución de Log Pearson III. Esta distribución estadística es ampliamente utilizada en el análisis de frecuencia de caudales máximos y recomendada por el Servicio Geológico de USA (USGS). (Oregon State University, 2002)

Figure 2 Diagrama Topológico de la región Hidrográfica Ozama-Nizao

La segunda parte del proyecto se desarrolló utilizando Sistema de Información Geográfica (GIS) y HEC-RAS (Sistema de Análisis de Ríos). HEC-RAS es un software desarrollado por el Hydrologic Engineering Center. Este software permite al usuario desarrollar cálculos para flujos constantes de una dimensión, flujos no permanentes de una y dos dimensiones, transporte de sedimentos, entre otros análisis (US Army Corps of Engineers Website). Los datos requeridos en esta parte del proyecto fueron: una imagen aérea de la zona y un modelo digital de elevación (DEM, por sus siglas en inglés) obtenidos del USGS. Utilizando la herramienta ArcMap de ArcGIS, fue posible diseñar la geometría del río y obtener las secciones transversales del Río Ozama. El perfil de elevación de cada sección transversal fue comparado con los perfiles proporcionados por Google Earth, para validar los valores obtenidos del DEM. La figura.3 muestra las secciones transversales del río.

Figure 3 Muestra las secciones transversales perpendiculares al Río Ozama.

Esta información fue importada en HEC-RAS. Este sistema de modelación de ríos está dividido en varios componentes. Dos componentes fueron utilizados en este trabajo, en el primer componente se define la geometría de las secciones del río y de los puentes, mientras que en el segundo componente se establece los caudales a analizar. En el tramo del río seleccionado se encuentran dos principales puentes, Francisco Sánchez y Juan Bosch, cuyas dimensiones y áreas de obstrucción de flujo se introdujeron en HEC-RAS, teniendo en cuenta las pilastras, la longitud y ancho del puente, así como su altura máxima y mínima, tal como se muestra en la figura.4. La tabla.1 muestra los datos considerados para cada puente. Estos datos fueron proporcionados por el Ministerio de Obras Publicas y Comunicaciones (MOPC). La tabla.2 presenta los valores asumidos en nuestro análisis. La pendiente del río Ozama en el tramo seleccionado es 0.000414,  la cual caracteriza un flujo sub crítico, es por ello que se seleccionó como condición de frontera una profundidad normal.  Además, el número de Manning fue estimado usando imágenes aéreas para determinar la aspereza del suelo.

Para la sección central del rio se asumió un cauce natural siendo el número de Manning, 0.040. Las secciones adyacentes se caracterizaban con cierta concentración de árboles, cemento, y casas. Los valores de Manning asignados para estos se muestra en la Tabla.2.

Figure 4 muestra los puentes Francisco Sánchez y Juan Bosch y sus respectivas localizaciones en el modelo.
Tabla.1 Características generales de los puentes introducidos al modelo de HEC-RAS
Tabla.1 Características generales de los puentes introducidos al modelo de HEC-RAS
Tabla.2 Valores asumidos en el modelo de HEC-RAS

En el segundo componente utilizado en HEC-RAS se introdujo una serie de caudales máximos anuales. Estos caudales máximos corresponden a periodos de retorno de 25, 50, 75 y 100 años, de este modo se genera en HEC-RAS un perfil para cada periodo de retorno. El perfil número uno corresponde al caudal máximo correspondiente a 25 años, el perfil numero dos corresponde a 50 años, el perfil número 3 a 75 años y el perfil número 4 a 100 años.

Resultados del Análisis de Frecuencia de Flujo

En el análisis de frecuencia se utilizó caudales máximos anuales para obtener una serie de caudales a diferentes periodos de retorno. La serie de tiempo de caudales máximos anuales es contrastada con los diferentes periodos de retorno para identificar la frecuencia con que el Río Ozama alcanzó o superó estos eventos extremos.

En la figura.5 se observa la frecuencia con que el río Ozama ha alcanzado o superado los caudales correspondiente a los 4 periodos de retorno calculados en este trabajo y que corresponde al periodo 1967-1982. Como se puede observar, la línea roja (caudal estimado para 25 años) se intercepta con el año 1980. En este año el Huracán Allen, categoría 5 afectó principalmente la parte sur del país. También, se puede observar que la línea azul oscura (caudal estimado para 100 años) se intercepta con el año 1981. Durante este año, la tormenta tropical Gert afectó drásticamente al noroeste del país. Finalmente, se observa un caudal mayor en el año 1979. En este año ocurrieron dos eventos extremos. El primero fue el Ciclón David, categoría 5, considerado uno de los huracanes más fuertes que impactó el país. Este fenómeno causó más de 2,000 muertes, inundaciones, y daños en la infraestructura principalmente en el sur del país. Más adelante, la tormenta tropical Frederick causó fuertes precipitaciones e inundaciones también en la región sur del país.

Figure 5 Caudal Máximo Anual versus Los caudales Picos estimados para cada periodo de Retorno

Niveles del Rio Calculados en HEC-RAS

La elevación de la superficie del agua en las diferentes secciones transversales del río Ozama fue calculada utilizando HEC-RAS. La figura.6 muestra la elevación de la superficie del agua a la sección transversal #73 y para cada perfil. Los puntos rojos representan la orilla del rio, y se puede observar que los niveles del agua están por encima de estos, lo que significa que parte de las zonas aledañas al río están bajo una inundación. La figura.7 muestra la evolución de la elevación de la superficie del agua a lo largo del tramo del Río Ozama para un periodo de retorno de 25 años.

Figure.6 Niveles del agua para cada perfil a la misma sección transversal

Figure 6b
Figure 6c
Figure 6d
Figure 7 Perfil del río y los niveles del agua de todas las secciones transversales para el perfil 1

Mapas de Inundaciones y Zonas Vulnerables

La elevación de la superficie del agua para los diferentes perfiles definidos en HEC-RAS es importado a ArcGIS para identificar las áreas de riesgo de inundación. Para cada perfil, el río fue dividido en cuatro tramos tomando una elevación representativa en cada tramo, como se muestra en la Tabla.3. Luego usando la herramienta “Calculadora Raster” en ArcGIS, se cuantificó las áreas de riesgo de inundación, tal como se muestra en la figura.8. Según estas áreas de inundación, ha sido posible identificar los barrios que serían afectados por estos caudales. La Tabla.4 muestra las zonas afectadas para cada perfil.

Tabla 3 Los niveles del agua desde rio arriba hasta rio abajo y las secciones transversales donde termina cada división.
perfil1
perfil3
perfil2
perfil4

Figure 8 Áreas de Inundaciones a Diferentes Periodos de Retorno

Tabla.4 Zonas vulnerables para cada perfil o periodo de retorno.

La comparación de las áreas de inundación correspondiente a diferentes periodos de retorno indica que el Río Ozama es altamente sensitivo a elevaciones repentinas de caudales debido a eventos de tormenta. Con un periodo de retorno de 25 años, gran parte del área inundable es cubierta por el agua, mientras que para periodos de retorno mayores el incremento en el área inundado es relativamente pequeño. La particular geometría de las secciones transversales del Río Ozama, debido a que atraviesa la ciudad, ocasiona que un caudal de flujo no muy grande inunde rápidamente el lecho del rio y su llanura de inundación cercana a la orilla del rio. Luego esta llanura de inundación se expande rápidamente ocasionado que caudales mayores generen elevaciones pequeñas de la superficie del agua. Es por esto que la cantidad de agua requerida para inundar áreas relativamente pequeñas es cada vez mayor. La figura.9 ejemplifica este suceso, comparando las áreas de inundación del perfil 1 y el perfil 4.

Figure 9 Comparación del Perfil 1 y 4
Figure 9 Comparación del Perfil 1 y 4

Referencias

República Dominicana Live. (n.d.). Retrieved September 22, 2016, from http://www.republica-dominicana-live.com/republica-dominicana/tiempo/historia-ciclones-republica-dominicana.html

Secretarion Tecnico de La Presidencia, Banco Interamericano de Desarrollo, Cardona, O., La Red, & ICF consulting. (2001). Retrieved from: Http://www.desenredando.org/public/varios/2002/pdrd/7-1DRD_F-may_28_2002.pdf.

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Center, H. E. (n.d.). Hydrologic Engineering Center. Retrieved September 22, 2016, from http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/

Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos. Plan Hidrológico Nacional, 2012. Chapters 1 – 9. Print.

Glenn, E. (2015, August 28). Detection of recent regional sea surface temperature warming in the Caribbean and surrounding region. Geophysical Research Letter, 42(16), 6785-6792. Retrieved from http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015GL065002/abstract