Ing. Danny Fabiana Fallas Agüero
Profesional CIT
Ing. María Monserrat Nájar Navarro
Profesional CIT
Resumen
El proyecto se llevó a cabo con el fin de identificar los sitios críticos de la cuenca y del sistema de alcantarillado pluvial de la Ciudad de Quepos, que favorecen a la problemática de las constantes inundaciones urbanas que sufre, afectando negativamente la vida, comercio, desarrollo y turismo de la zona.
Para esto, se caracterizó físicamente el área de drenaje de Quepos mediante levantamientos topográficos permitiendo comprender mejor el impacto de la topografía en la generación de escorrentía superficial. Así mismo, se realizaron estimaciones de eventos extremos de precipitación con periodos de retorno de 2, 5, 10, 25, 50 y 100 años. Estas estimaciones se basaron en el análisis de registros históricos de precipitación, y permitieron dimensionar el caudal que debería manejar el sistema de alcantarillado pluvial en cada escenario extremo. Posteriormente, se determinaron las condiciones físicas del sistema de alcantarillado pluvial, las cuales se compararon conforme a lo estipulado en la Norma Técnica del AyA para finalmente crear un modelo dinámico de simulación hidráulica generado con la herramienta IBER y así analizar el tránsito del agua por los distintos sectores de Quepos determinando las potenciales zonas de inundación del cantón.
A partir de este análisis, se mapearon las zonas más propensas a inundaciones, teniendo en cuenta los elementos que influyen en todo el entorno, con el objetivo de identificar los factores que reducen la capacidad del sistema y entorpecen el manejo de las aguas pluviales.
Queda expuesto que el manejo del agua pluvial en la Ciudad de Quepos, no es el óptimo, no solo porque no se considera la topografía de forma conveniente, si no que el sistema que se encuentra actualmente, no presenta los suficientes elementos como desfogues o tuberías que soporten los caudales originados por los eventos extremos, ocasionando inundaciones a lo largo de las calles del cantón, lo cual repercute negativamente en el diario vivir de la ciudadanía.
Palabras Clave
Alcantarillado, escorrentía, precipitación, lluvia, agua superficial
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Introducción.
La Ciudad de Quepos se convierte en el mayor atractivo para el turismo nacional e internacional en el Pacífico Central, impulsando así el crecimiento demográfico y el desarrollo del mismo, con el turismo como principal actividad económica [1]. Se caracteriza por ser una ciudad litoral [2], y porque es el único acceso terrestre al Parque Nacional Manuel Antonio, que es el principal foco de visita de turistas en la región, siendo visitado por más de 513 000 personas en el año 2019 [3]. Además, es el segundo Parque Nacional que más generó ganancias por el ingreso de turistas entre 2019 y 2022 [4].
Sin embargo, a lo largo de muchos años, la ciudad de Quepos ha sufrido múltiples inundaciones que han provocado desastres con pérdidas tanto monetarias como de infraestructura, debido a la cantidad de agua que se acumula en la zona, principalmente durante la época lluviosa. Además de las precipitaciones cuantiosas, se ha identificado una serie de factores que inciden en la vulnerabilidad ante inundaciones en la ciudad de Quepos; algunos de estos incluyen aspectos sociales, geográficos, de infraestructura, ocupación de ribera de ríos, entre otros [5].
Ya para el año 1952, se tienen registros de inundaciones por el desbordamiento de los ríos Parrita y Savegre, las cuales ocasionaron daños en la vía férrea. En los años 1968 y 1969, los desbordamientos del Río Hatillo Viejo provocaron daños a viviendas y deslizamientos en la Ruta Nacional No.2 conocida como la Carretera Interamericana Sur; en 1978, con inundaciones en Aguirre y otros cantones de Puntarenas; y en 1985,
donde las inundaciones en el cantón de Aguirre provocaron afectación en cultivos de arroz, sorgo, maíz, palma africana, cacao, entre otros. También se destacan el paso del huracán Gilbert en 1988, el huracán Juana en 1988, el ciclón tropical Gert en 1992, el huracán César en 1996, la tormenta tropical Lili en 1996, el huracán Mitch en 1998, el huracán Floyd en 1999, el huracán Michelle en el 2001 y la tormenta tropical Alma en 2008 [6].
Recientemente, se destaca la tormenta tropical Nate, en el año 2017. Esta tormenta provocó pérdidas millonarias y fue necesario realizar una serie de intervenciones tanto por parte de instituciones, como el AyA y el ICE, como de la Municipalidad de Quepos. Con el fin de rehabilitar la zona, se realizaron trabajos para estabilizar estructuras, debido al socavamiento provocado por el desborde de los ríos [7]. Otro evento importante es el ocurrido el 7 de junio de 2021, donde se dio una precipitación de alrededor de 250 mm en el casco urbano de Quepos y en un lapso de 5 horas; como consecuencia, se generaron inundaciones [8].
Debido a todos estos percances y en aras de lograr mitigar los efectos de estos desastres naturales y solventar la problemática, la Municipalidad del cantón de Quepos plantea realizar una estructura que organice, capacite, diagnostique e identifique los distintos riesgos y variables climatológicas y crear una visión a futuro (año 2030) de las condiciones de la zona y de esta forma, evaluar y categorizar las medidas a corto, mediano y largo plazo que deberán tomar tanto los pobladores como el gobierno local para atender los riesgos y amenazas, así como disminuir la vulnerabilidad de la localidad [7].
La Municipalidad creó Plan de Desarrollo Municipal del Cantón de Quepos, en el cual pretende trabajar en el mejoramiento y mantenimiento de varios factores que permitan el desarrollo de la ciudad de Quepos, siendo uno de ellos la red pluvial existente en la ciudad. Como parte de las acciones para alcanzar los objetivos del Plan, se está desarrollando un modelo para analizar posibles afectaciones de las inundaciones que puedan provocar eventuales tsunamis, mediante un proyecto liderado por la UNESCO, lo cual ha permitido generar un modelo digital del terreno y realizar el análisis de las zonas más propensas ante estos eventos [9].
Este proyecto requiere de un levantamiento topográfico del sistema de alcantarillado pluvial del casco central de la ciudad de Quepos, debido a que el sistema existente data de finales de la década de 1970 e inicios de la década de 1980, y la Municipalidad de Quepos no cuenta con planos o caracterizaciones del sistema. Para ello, la Municipalidad de Quepos, mediante el oficio número MQ-UDA-141-2021, solicita colaboración técnica a la Escuela de Ingeniería Topográfica de la Universidad de Costa Rica, y así contar con este insumo de gran valor para llevar a cabo un plan de mitigación de las afectaciones por las constantes inundaciones y en la búsqueda de posibles soluciones.
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Objetivos y alcances
El propósito fundamental de este estudio fue entregar a la Municipalidad de Quepos un análisis que aborde la dinámica del agua de lluvia en los distintos sectores de la ciudad. Esto implicó no solo examinar las condiciones de flujo en respuesta a eventos extremos de precipitación, sino también evaluar la capacidad de transporte del sistema de alcantarillado pluvial para conducir eficazmente las aguas pluviales hacia su destino final.
Para esta investigación se analizaron las condiciones físicas del sistema de alcantarillado pluvial de la ciudad de Quepos, por medio de levantamientos topográficos y un modelo dinámico de simulación hidráulica, con el fin de identificar los sitios críticos de la cuenca que inciden en la problemática de inundaciones urbanas, así como posibles alternativas de intervención para mejorar su funcionamiento.
Específicamente lo primero que se realizó fue la caracterización física del área de drenaje de la ciudad de Quepos, mediante levantamientos topográficos y sistemas de información geográfica, con el fin de determinar su incidencia en la generación de escorrentía superficial.
Posteriormente se estimaron los eventos extremos de precipitación que se pueden presentar en el área de drenaje de la ciudad de Quepos con periodos de retorno de 2, 5, 10, 25, 50 y 100 años, a partir del análisis de registros históricos de precipitación para dimensionar el caudal que debe manejar el sistema de alcantarillado pluvial en cada escenario.
Como tercera etapa se determinaron las condiciones físicas que presenta el sistema de alcantarillado pluvial de la ciudad de Quepos, por medio de un levantamiento topográfico detallado que permita conocer el estado actual del sistema y de sus componentes en función con lo que se establece en la Norma Técnica del AyA.
Finalmente, se llevó a cabo un análisis detallado de las inundaciones urbanas mediante el uso de un sistema de modelado hidráulico, específicamente el sistema de IBER. Este enfoque permitió identificar los puntos críticos del sistema de drenaje y proponer estrategias de mejora que contribuyan a mitigar el impacto negativo de las inundaciones en la población y en la infraestructura urbana.
Es importante destacar que el área de estudio principal se concentró en el casco urbano de Quepos, el cual ha sido identificado como una zona particularmente vulnerable a las inundaciones urbanas. Sin embargo, se reconoció que el correcto dimensionamiento del caudal durante eventos extremos de precipitación requiere considerar no solo el área directamente afectada, sino también aquellos espacios adyacentes cuya topografía contribuye a la generación de escorrentía superficial hacia el casco urbano, lo que resultó en un área total de análisis de 159.11 hectáreas, como se indica en la Figura 1 adjunta.
IV. Metodología y resultados.
El procedimiento utilizado constó de cuatro etapas que a su vez se subdividieron en varias tareas que permitieron cumplir con los objetivos planteados.
4.1. Primera Etapa: Caracterización física del área de drenaje
Primeramente, la información recopilada se complementó con levantamientos topográficos de detalles y georreferenciación de elementos de interés. Además, se contó con el modelo de elevación digital a partir de levantamientos LiDAR, de la zona de estudio.
Se realizaron inspecciones visuales y técnicas, enfocadas en identificar las características físicas y topográficas de la zona, así como de las estructuras del sistema de alcantarillado pluvial existente, en conjunto con funcionarios de la Municipalidad de Quepos, de forma que fue posible conocer la situación actual, estado y componentes del sistema y se identificaron las zonas que presentan una mayor afectación debido a las inundaciones.
Con esta información se llevó a cabo la delimitación del área que drena al casco urbano de Quepos, como se muestra en la figura 2, utilizando tanto métodos manuales como automáticos, empleando diversas herramientas y técnicas. En primer lugar, se utilizó la ortofoto y las curvas de nivel generadas como insumos del proyecto para la delimitación manual. Con esta información, se identificaron las zonas de mayor elevación en la ciudad de Quepos, permitiendo determinar la divisoria de aguas. Esta delimitación se realizó desde los puntos más elevados, lo que facilitó la identificación de las áreas que contribuyen con escorrentía superficial a la ciudad.
Simultáneamente, se realizó la delimitación de la cuenca de manera automática utilizando la herramienta SAGA de QGIS. Para ello, se empleó un modelo de elevación digital creado a partir de datos obtenidos mediante tecnología LiDAR.
Finalmente, se compararon los resultados obtenidos mediante ambos métodos, se analizaron puntos en común, y se realizó un análisis ponderado de ambas metodologías para definir con precisión la cuenca y el área que drena al casco urbanos de Quepos.
Se obtuvo también la cobertura del suelo, que se muestra en la figura 3; se utilizó el complemento llamado DZETSAKA en QGIS, para realizar una clasificación supervisada. Para esta clasificación fue necesario utilizar la ortofoto de la zona de estudio, la cual fue recortada según la extensión del área que drena a Quepos establecida para el proyecto y se procedió a realizar la clasificación deseada.
Se consideraron los tipos de cobertura presentes en la zona, según las visitas al sitio realizadas y según lo que mostraba la ortofoto, estableciendo así siete tipos de cobertura, a saber:
- Vegetación densa: localizada en gran parte de la zona de estudio, corresponde a las zonas cubiertas por árboles y vegetación de gran altura y denso follaje.
- Edificaciones: mayoritariamente en los cuadrantes urbanos del centro de la Ciudad de Quepos.
- Calles – asfalto: la mayoría de la red vial del cantón, cubierta por capa asfáltica.
- Pastos: secciones del suelo, correspondientes a algunos jardines, zonas verdes, patios, entre otros, que presentan un pasto de baja atura.
- Agua: correspondientes a los canales que transportan el agua hacia la Quebrada el Padre, la Quebrada como tal y la desembocadura de la misma.
- Concreto: algunos parqueos, secciones de algunas calles, plazas, entradas a comercios, que están construidas en concreto.
- Suelo desnudo: partes que muestran una especie de lastre, parqueos, entradas a propiedades, entre otras.
4.2. Segunda etapa: Estimación de eventos extremos de precipitación en la zona
En esta etapa, se realizó un análisis de los eventos hidrometeorológicos que han provocado afectación a la ciudad de Quepos, generando daños a edificaciones e infraestructura por inundación y situaciones de riesgo por erosión y deslizamientos.
Se hizo una solicitud al IMN de precipitación mensual, la precipitación diaria máxima anual y los acumulados de precipitación máximos anuales de menor intervalo temporal disponibles (5, 10, 15, 30 o 60 minutos), de todo el registro histórico disponible de la estación meteorológica, así como el total de precipitación diaria y los acumulados de precipitación de menor intervalo temporal disponibles (5, 10, 15, 30 o 60 minutos), de la estación meteorológica en las fechas asociadas a eventos con afectación.
Con la información obtenida mediante la solicitud realizada al Instituto Meteorológico Nacional, de las lluvias máximas diarias desde el inicio de registro de la estación hasta la actualidad, se utilizó el lapso comprendido del 12 de marzo de 2014 al 31 de agosto de 2021, periodo en que la estación de finca Damas 90013, cuenta con información necesaria para obtener una caracterización general de la precipitación en la zona de estudio y dimensionar el caudal que debe manejar el sistema de alcantarillado pluvial en cada escenario.
Una vez obtenida la información completa de la estación meteorológica para el periodo establecido, se identificó el valor máximo de precipitación en 24 horas del año, para así generar el gráfico representado en la figura 4.
Además, se obtuvieron las curvas IDF, indicadas en la figura 5, de donde se obtuvo la información sobre la intensidad de la precipitación para diferentes tiempos de duración y diferentes períodos de retorno. A pesar de que se obtuvo esta información de cuatro estaciones meteorológicas solamente se decidió utilizar la que se encuentra más cercana a Quepos, ya que fue la que contó con información más cercana a la zona de estudio y brindó datos más completos.
Posteriormente se realizó la división de la zona de estudio en 112 cuadrantes, considerando la distribución de la escorrentía sobre la calle, y cobertura similar para cada uno, información necesaria para determinar más adelante el caudal generado de acuerdo a los tiempos de retorno y el tiempo de concentración.
Una vez realizada esta subdivisión, fue posible obtener la clasificación de la cobertura del suelo para cada subcuadrante y, mediante una ponderación entre las áreas de cada uno y su cobertura, se obtuvo el coeficiente de escorrentía C ponderado para cada subárea.
Conociendo este parámetro, se pudo obtener el caudal mediante la utilización de la fórmula racional, técnica utilizada para la estimación de caudales que se adapta al diseño en áreas de drenaje como la que se encuentra en estudio. Esta metodología radica en su simplicidad y eficacia para proporcionar estimaciones rápidas y razonablemente precisas de los caudales pico, especialmente en áreas urbanas y cuencas pequeñas rurales, menores a 200 hectáreas, donde los tiempos de concentración son cortos y la variabilidad espacial de la precipitación es mínima. Las intensidades utilizadas se escogieron en función del tiempo de concentración obtenido para la cuenca y según el período de retorno [10].
El caudal se calcula empleando la fórmula racional, considerando los periodos de retorno de 2, 5, 10, 25, 50 y 100, donde el tiempo de concentración calculado para la cuenca fue de 10 min.
4.3. Tercera etapa: Determinación de las condiciones físicas del sistema de alcantarillado pluvial existente
Se llevó a cabo un levantamiento topográfico de detalles de la zona para obtener toda la información necesaria de una manera eficiente. Para esto, se analizaron condiciones como la topografía, la distribución de vías, la existencia de caños y cunetas, la ubicación de pozos, tragantes y desfogues, el estado en que se encontraron y el trazado de cauces y canales.
La metodología de levantamiento se desarrolló en distintas visitas de campo, con el uso de equipo topográfico especializado (estaciones totales). El levantamiento tomó como ejes de trabajo las calles en sentido sur-norte, estableciendo estaciones de medición en cada intersección de calles y avenidas, desde donde fue posible medir simultáneamente tanto las mismas calles como las avenidas.
Este procedimiento inició en el mercado municipal, donde se encontraron hitos colocados por la Municipalidad de Quepos, posteriormente, se
continuó levantando los componentes del sistema de alcantarillado pluvial existente en toda la ciudad de Quepos. Se finalizó este levantamiento de detalles con la información que se pudo recopilar de la Quebrada El Padre.
Toda la información recolectada en campo fue analizada en conjunto con el modelo de elevación digital a partir de levantamientos LiDAR, donde se obtuvo una representación completa del sistema de alcantarillado pluvial existente y su entorno.
Con base en toda esta información, se logró obtener las diferencias de elevación presente en las diferentes zonas de la ciudad y se localizaron la mayoría de tragantes, caños, cunetas, alcantarillados y calles.
También, las características del sistema de alcantarillado pluvial existente fueron comparadas con lo establecido en la Norma Técnica del AyA, tanto en su versión vigente (Norma Técnica para Diseño y Construcción de Sistemas de Abastecimiento de Agua Potable, de Saneamiento y Pluvial) como en anteriores versiones, acerca del diseño y construcción de este tipo de sistemas.
4.4. Cuarta etapa: Análisis del comportamiento ante eventos extremos del sistema de alcantarillado pluvial existente
Para esta última etapa de la investigación se tomaron como insumos productos generados anteriormente, pues consistió en realizar una simulación de la capacidad hidráulica que posee el sistema de alcantarillado pluvial de la ciudad de Quepos, donde se identificaron aquellas zonas, tramos o elementos que son puntos críticos del sistema y que deben ser intervenidos para mejorar su funcionamiento y reducir la posibilidad de que se presenten afectaciones producto de inundaciones.
Para ello, se moldearon los distintos escenarios de precipitación asociados a cada periodo de retorno, producto de la segunda etapa, en conjunto con las características del área de drenaje definidas en la primera etapa, de forma que se obtuvo la escorrentía superficial que se produjo en dichos escenarios. Con todas estas condiciones, se hicieron simulaciones mediante la herramienta IBER donde se conoció el comportamiento del sistema en cada escenario.
Para la simulación hidráulica se omitió el caudal base de la Quebrada El Padre y los aportes de caudal provenientes de entregas ilícitas de aguas residuales, es decir que se consideró únicamente el caudal aportado por la escorrentía directa producto de los eventos de precipitación analizados. Además, no se tuvo en cuenta los procesos de transporte de sedimentos y oleaje, ni posibles obstrucciones a lo interno de las tuberías del sistema de alcantarillado pluvial.
Los resultados que se obtuvieron corresponden únicamente al área de drenaje de la ciudad de Quepos, bajo las condiciones de clima, topografía, uso e intensidad de uso del suelo específicos de esta zona y que se lograron determinar durante el desarrollo del proyecto, junto con las características y el estado actual del sistema de alcantarillado pluvial. Por lo tanto, los resultados no pueden ser extendidos a otras zonas sin el debido ajuste de los parámetros empleados en esta investigación.
Los insumos específicos necesarios para trabajar con la herramienta incluyeron la geometría de los cuadrantes y calles de la zona de estudio, la superficie del terreno y los caudales aportados por cada uno de estos cuadrantes. Asimismo, fue necesario identificar previamente las entradas y salidas de caudal; en el caso de las entradas, se valoraron las pendientes del terreno y su cobertura, y para las salidas, se consideraron los tragantes presentes a lo largo de la zona.
Utilizando el modelo de elevación digital que representa la superficie de la zona de estudio, la geometría de las calles de Quepos y los caudales correspondientes, se realizó la simulación de inundaciones para los periodos de 2, 5, 10, 25, 50 y 100 años. Inicialmente, se cargó la geometría de las calles de Quepos, obtenida mediante el levantamiento topográfico y la información de la ortofoto.
Posteriormente, se ingresaron los datos del coeficiente de rugosidad de la superficie por donde fluirá el agua. Este parámetro de rugosidad se determinó de manera generalizada para toda el área, con base en el coeficiente de rugosidad del asfalto (0.016) y el del concreto (0.013), obteniendo un valor ponderado de 0.0145.
Una vez ingresados estos datos, se estableció el tiempo inicial en cero segundos, y las simulaciones se realizaron para un rango de tres horas, indicando como tiempo máximo 10800 segundos, esto debido a que se consideró como un periodo promedio ante la duración típica de eventos de precipitación extremos, el cual permitió modelar el impacto completo de estos, desde su inicio hasta el momento en que el sistema alcanza o supera su capacidad máxima. Por lo que, en este rango de tres
horas, fue posible evaluar cómo responde el sistema de alcantarillado a la acumulación y el flujo de agua pluvial, permitiendo observar la formación de posibles puntos de desbordamiento, inundaciones y la efectividad del sistema de drenaje, además, dentro de este periodo se le indicó a la herramienta que arroje resultados en intervalos cada 30 segundos, estos datos fueron ingresados en la herramienta.
Luego, se creó una malla de tipo no estructurada de volúmenes finitos, esta se formó por elementos triangulares y a la que se le asignó un tamaño de celda de 20, el tamaño de la superficie el cual es de 20, está relacionado con el modelo de elevación digital que se utilizó para esta simulación y así se obtuvo una triangulación apta para el área del mismo. Una vez generada la malla se obtuvo una triangulación con 3052 elementos y 2921 nodos. A esta malla generada se le ingresaron los datos de caudales, asignando las entradas con el respectivo caudal de cada cuadrante según la clasificación realizada, suponiendo que la cara de cada cuadrante que da frente a calle, aporta ese caudal calculado, esto fue ingresado a la herramienta, una vez ingresada esta información se procedió a correr la simulación, creando los mapas correspondientes.
Finalmente se asignaron las elevaciones mediante el Modelo Digital de la Superficie y se ejecutaron las simulaciones conforme a los datos ingresados, obteniendo archivos rasters que representan información sobre profundidades, velocidades y números de Froude de las simulaciones en cada periodo de retorno realizado.
