Propuesta integral hidrovial – reservorios distribuidos paliativo de excesos hídricos – regulación de crecidas
*Por los Ings. Norberto Cerutti e Mario Nelson Ferdkin. Trabajo presentado en el Congreso Argentino de Vialidad y Tránsito.
RESUMEN
Se presenta una propuesta dentro de la planificación para la adecuación y rehabilitación de los caminos rurales correspondientes a una cuenca hídrica, consistente en el control de los caudales de inundación y el mejoramiento de los perfiles transversales del camino rural que favorezca el normal funcionamiento de los predios involucrados y un aporte a la comunidad en general.
El proyecto y mantenimiento eficiente de los caminos rurales, requiere de adecuaciones de los niveles de la rasante y de la optimización de las capacidades de conducción de las cunetas laterales. Para lo cual se necesitan volúmenes de suelo de préstamos, que se obtienen en general de los predios y campos aledaños. Así como la disminución de los caudales de aporte en ruta de dichos predios en época de lluvias extraordinarias.
En el presente trabajo se muestra una asociación complementaria entre usuario y responsable de la vialidad rural que beneficia a ambos actores.
Se demuestra la disminución del rango de inundabilidad en una zona rural delimitada por una subcuenca hídrica, sometida a crecidas por lluvias, construyendo almacenamientos distribuidos en los campos aledaños a los caminos rurales. Cumpliendo fines combinados de:
a) Disminución de los caudales de aporte.
b) Para usos particulares de reserva eventual de agua para la producción agrícola.
c) Préstamo de suelos para el mejoramiento de la geometría transversal de los mismos.
Como respaldo numérico de la solución propuesta, se desarrolla, por una parte, el diseño de los reservorios, que implican terraplenes, excavaciones y obras de control y, por otra parte, se presentan los resultados de la modelación hidrodinámica (SWMM) del escurrimiento en cunetas mostrando la disminución de los caudales de aporte lateral en ruta, como resultado de la comparación de la simulación, en escenarios sin reservorios y con reservorios prediales, respectivamente.
INTRODUCCIÓN
El proyecto y mantenimiento eficiente de los caminos rurales requiere de las adecuaciones de los niveles de la rasante y de la optimización de las capacidades de conducción de las cunetas laterales, para lo cual se necesitan volúmenes de suelo de préstamos, que se obtienen en general, de los predios y campos aledaños.
Al mismo tiempo, existe la necesidad de controlar las crecidas extraordinarias en el propio campo, lo cual se logra con la disminución de los caudales de aporte en ruta de dichos predios en época de lluvias extraordinarias y la disminución de los caudales máximos en las cunetas colectoras principales, dado que cada aporte predial del agua generada en el mismo se lamina dentro del predio para las crecidas ordinarias en la cuenca propia de aporte.
Esto contribuye, además, a una disminución subregional de consideración de los caudales máximos a nivel de cuenca debido a la utilización del concepto de regulación distribuida.
REHABILITACIÓN DE LA RASANTE
Se propone en el trabajo presente, la adecuación y rehabilitación de un camino rural, consistente en el alteo de la rasante actual en aproximadamente 1,00 m, con la forma necesaria para que el tramo pueda servir a una red futura; correspondiente a un frentista afectado por una cuenca hídrica determinada que favorezca el normal funcionamiento de los predios involucrados y un aporte a la comunidad en general.
En el ejemplo que se expone se considerará que se realiza un alteo de 1,00 m, con coronamiento de 11,30 m de los cuales los 7,30 m centrales tienen pendientes transversales de 4% hacia ambos lados y los 2,00 m adyacentes a cada lado una pendiente transversal del 6,5 %.
Las secciones transversales que resultan para cada una de las posibilidades planteadas son:
SECCIÓN PARA TENDIDO 1V: 2 H 14,09 m2
Por lo que se requiere 14,09 m3 / m
SECCIÓN PARA TENDIDO 1V: 4 H 16,09 m2
Por lo que se requiere 16,09 m3 / m
CONTROL DE CRECIDAS EN EL PREDIO
La ejecución de un Reservorio en un predio permite la regulación y control de aguas de lluvia que caen dentro del campo, antes de su descarga final en la cuneta lateral del camino rural colindante. Para cuantificar las posibilidades de dicho control de las aguas respecto de dejarlas escurrir sin intervención, se efectuó una modelación hidrodinámica del sistema predial tomando un conjunto de cinco predios (de 48 has cada uno) en serie aportantes al mismo desagüe del camino, conformando una subcuenca que puede extrapolarse según necesidad.
Modelación Hidrodinámica
Se muestra esquemáticamente una subcuenca tomada como ejemplo de longitud aproximada de 4km. En una situación sin Reservorios distribuidos y otra situación con Reservorios distribuidos. En una zona de bajas pendientes, como podrían encontrarse en zonas productivas de la pampa húmeda, para el cálculo se tomó un valor de 0.6m/km (0.0006).
A fin de tener valores referenciales de los beneficios de la Propuesta, se utilizó el Modelo SWMM, incorporando los datos obtenidos de las planchetas del IGN, para una zona agropecuaria de la Provincia de Buenos Aires, que luego se simplificó para obtener un sistema hídrico adecuado para la aplicación de los conceptos que se presentan y, además, extrapolable a sistemas hídricos con caminos rurales, más específicos.
Un aspecto importante de la discusión técnica pasa por el contexto en que se inserta la cuenca o subcuenca que se deba estudiar, debido a la incidencia de aguas externas al subsistema que se analiza.
Esto hace imprescindible un análisis vial – hidráulico pormenorizado para optimizar la solución.
Se cargó el sistema con una lluvia extraordinaria de 6hs de duración. Se corrió el modelo en un escenario sin Reservorios y luego en el escenario con Reservorios. Las cunetas se adoptaron con valores típicos de formato trapezoidal y taludes laterales 1:1. Se consideraron cunetas laterales, de base de fondo de 2m y tirantes del orden de 1.5m y 2.5m en los tramos finales. Se considera una rugosidad de Manning de 0.023, correspondiente a perimetro en tierra.
Se muestan a continuación, los perfiles longitudinales de escurrimientos por cuneta para el caso “sin reservorios distribuidos” y para el de “con reservorios”.
Se pueden observar las diferencias de tirantes o profundidades de agua en cada tramo y de la comparacion entre ambos gráficos la disminución significativa de alturas, que permite un mejor aprovechamiento de los volumenes de suelo utilizados para alteo y mantenimiento de la calzada del camino rural y sus cunetas respectivas.
NECESIDAD DE SUELOS DE PRESTAMOS
RESERVORIOS PALIATIVOS
La idea básica que fundamenta este trabajo es el control de los caudales de inundación.
Estos reservorios pueden ser de superficies importantes o más pequeñas, del mismo modo tener profundidades diversas de acuerdo a las necesidades del productor y al uso que piense destinar, tanto la reserva de agua como el material resultante de la excavación.
Es una solución técnica, que logrando los acuerdos correspondientes puede resultar con una conveniencia económica para ambas partes: productor – responsable de la vía.
Es de poca entidad superficial, pudiendo realizar cuantas se considere necesario, eligiendo inteligentemente zonas de rendimientos deficientes de la producción.
Planificadas y ejecutadas correctamente no interfiere en el normal escurrimiento de las aguas en épocas de estiaje.
Pueden ser impermeabilizados si se las quiere independizar de napas freáticas o artesianas, sobre todo de estas últimas dependientes de fuentes lejanas que tienden a aportar volúmenes no requeridos, o dejar la excavación librada a la vinculación con los movimientos de las aguas subterráneas.
La solución planteada es para zonas llanas con escasa pendiente por cuanto en zonas onduladas pueden utilizar los aterrazados, siguiendo las líneas de nivel, y combinar con esta solución de ser necesario.
Unas aclaraciones convenientes es que el reservorio no debe estar permanentemente colmado, porque en ese caso no dispondrá de espacio para alojar una avenida extraordinaria; y que por otra parte si su pelo de agua es más bajo que el pelo de agua de la cuneta, se tendrá que ubicar en zona intermedia que permita su descarga por gravedad subdividiendo el predio en dos subcuencas: la mayor para operar por gravedad y una más pequeña si tiene compromiso de cotas con respecto a la del agua en la cuneta. Por lo que se puede recurrir a un segundo reservorio de menor capacidad en la parte baja del campo desde el cual eventualmente, se podría bombear agua al sistema de cunetas.
El tema es que se pueden usar las áreas bajas del predio donde se hayan mantenido niveles de agua superiores a 0,30 m y hasta 0,50 m durante un tiempo prolongado, donde el manto superior del perfil geotécnico recibe las sales solubles más profundas, que se cristalizan cuando el agua desaparece y las concentra de manera inconveniente en el suelo, para destinar esa área a la producción agrícola o a pasturas.
Utilizando el suelo con concentraciones salinas del manto superior se construirá el albardón de resguardo de la cava a producir; si en el predio hubiera animales, el espacio debe ser cerrado con alambrado normal de separación de lotes o chacras.
La construcción del albardón se realizará con la misma técnica que el alteo principal.
Para no interferir en el normal escurrimiento de las aguas superficiales, el reservorio debe contar con un conducto de acceso con válvula tipo clapeta y un conducto de salida con sifón y compuerta, ubicados convenientemente en las cotas más altas y más baja del área, respectivamente.
La regulación o control de los caudales de aporte por lluvias extraordinarias generadas en el predio, se deben laminar en los reservorios paliativos, en los cuales se debe dejar 1,00 m de la parte superior del mismo disponible para la retención de la crecida, de manera de obtener una disminución (mayor del 30% en el caso estudiado) de los caudales máximos generados. Esta disminución optimiza las dimensiones de las cunetas del camino. El control de los reservorios distribuidos en los predios, permite a la vez, el almacenamiento en la parte inferior de volúmenes de agua derivados a producción según necesidad.
De esta manera, cuando se quiere paliar la influencia de los campos inundados, se puede recurrir a reservorios excavados que reciban parte del exceso hídrico.
Si se los construye adecuadamente pueden utilizarse como reserva de agua para riego o como espejo de agua para practicar deportes como el remo o la pesca, si se les siembra alevines.
Consistente en lo expresado en el punto 3, desarrollamos un ejemplo de 2 Hectáreas (20.000 m2), con un perímetro irregular de 630 metros lineales.
La limpieza del material de la cubierta con alto contenido de materia orgánica, se debe extender al área de la excavación del reservorio, más la que ocupará el albardón; el espesor que se estima en el ejemplo es de 0,25 m.
Dicho material se lo acopiará fuera de la zona de trabajo para luego utilizarlo en el revestimiento de ambos faldones del albardón, colocándolos en el extremo de cada capa para que reciban el mismo trabajo de compactación.
Luego se comienza a construir el albardón, dejando no menos de dos sectores abiertos para permitir la circulación de camiones y maquinaria de obra; haciendo lugar al proyecto de excavación. Dichos sectores se cierran una vez concluida la excavación.
El ala El albardón de 1,50 m de altura, con el tendido previsto de faldones de acuerdo al material disponible, tiene una base de 9,75 m y una superficie transversal de 9,56 m2. Dejando una distancia de 2,00 m desde el pie del albardón hasta la excavación, la superficie de limpieza es de:
SUPERFICIE DE LIMPIEZA: 11,75 m x 655 m + 20.358 m2 ≈ 28.059 m2
VOLUMEN DE LIMPIEZA: 0,25 m x 28.059 m2= 7.015 m3
El volumen de suelo necesario para construir el albardón es:
VOLÚMEN DE CIERRE: 655 m x 9,56 m2 ≈ 6.267 m3
Para construir ese volumen de material compactado, se necesitan excavar:
VOLUMEN NECESARIO: 1,15 x 6.267 m3 ≈ 7.210 m3
Descontando la cubierta de suelo vegetal de 0,40 m con que se recubrirán los faldones:
VOLUMEN DE CIERRE: 7.210 m3 – 1.968 m3 = 5.242 m3
Con lo cual el espesor necesario del área destinada al reservorio, para recuperar el material es:
ESPESOR A EXCAVAR: 5.242 m3 / 20.358 m2 ≈ 0,26 m
Hasta ahora se ha determinado que, para construir el albardón de protección se requiere excavar 0,25 m de suelo orgánico o vegetal más 0,26 m de suelo inorgánico, es decir que hasta ahora se tiene una excavación de, aproximadamente, 0,51 m en las 2 hectáreas destinadas al reservorio; por lo que considerando razonable una profundidad de 3,00 m quedan disponibles 2,49 m.
Se ha indicado que el material que se obtiene de la excavación se debe transportar directamente al tramo del camino rural al que ha sido destinado, el cual ya se ha librado de material vegetal y la superficie a recubrir fue convenientemente recompactada.
Llegado el momento de determinar la longitud de camino que se puede rehabilitar con el alteo, se asumen dos posibilidades: que se trate de un suelo de relativa buena calidad vial con lo cual se pueden tender los faldones 1v:2h ó que el suelo recuperado resulte de peor calidad con lo cual los faldones se deban tender 1v: 4h .
La excavación del cuenco del reservorio se efectuará, por razones de seguridad, dejando paredes tendidas 1v: 0,8 h; razón por la cual en lugar de recuperar en los 2,50 m disponibles 50.895 m3 se dispone de 49.198 m3 como volumen en banco o préstamo.
El material recuperado de la excavación al volverlo a conformar y compactar en su lugar de destino, se debe afectar de un coeficiente de esponjamiento que en este caso se considera 0,83. Se dispone entonces de:
0,83 x 49.002,00 m3 = 40.671,00 m3
Pudiendo construirse con suelos recuperados de calidad aceptable, tendidos 1v: 2h
40.671,00 m3 / 14,09 m3 / m = 2.886,5 m ≈ 2,9 km
Con suelos recuperados de peor comportamiento, tendidos 1v: 4h
40.671,00 m3 / 16,09 m3 / m = 2.527,7 m ≈ 2,5 km
Consecuentemente: disponiendo de ≈ 2,5 Has que albergan una excavación de 2 Has de 3,00 m de profundidad se puede altear 1,00 m, más de 2 km camino rural, conteniendo aproximadamente 40.500 m3 de agua.
Se presenta croquis de la planta y de un corte del proyecto de reservorio.
DISMINUCIÓN DE LOS CAUDALES MÁXIMOS EN LAS CUNETAS
Como consecuencia de lo desarrollado en los puntos anteriores se indican a continuación los resultados que se logran adoptando los reservorios paliativos en el sistema alteo- cunetas de desagüe.
Los reservorios analizados en el ejemplo se tomaron de dimensiones similares con áreas de 2 Has, ubicados en puntos estratégicos de la microcuenca de cada predio consistente con las cotas de restitución en las cunetas del camino receptoras y con un drenaje por gravedad.
Las alturas en cada Reservorio alcanzan valores máximos del orden de 0.6 m. tomando una revancha de 0.40cm, adoptamos una altura total de 1m reservado para eventos máximos.
El volumen del reservorio estudiado permite que, si se mantiene hasta 1,50m de agua disponible para el uso de producción, está en condiciones de controlar crecidas extraordinarias.
El manejo controlado de los mismos debe considerar estas alturas disponibles ante eventos de gran hidraulicidad.
Y teniendo en cuenta que los volúmenes remanentes no restringidos a la mitigación de los eventos máximos, pueden ser utilizados convenientemente y en forma permanente para la producción del establecimiento.
CONCLUSIONES
Sobre la base del sistema adoptado para el estudio, consistente en 5 módulos de 48 Has cada uno, en los cuales se disponen aproximadamente 2,5 Has que albergan una excavación de 2 Has, de 3 m de profundidad, se logran los siguientes objetivos y recomendaciones:
- Descender el pelo de agua máximo en la cuneta final receptora de 4.80 m2 de sección húmeda en aproximadamente 0.70 m, equivalente a un porcentaje mayor al 30%. Y Se obtuvieron Caudales máximos reducidos hasta un 50%.
- Proveer al propietario de la finca tomada como módulo de análisis, de aproximadamente 40.000 m3 de agua de riego en épocas de seca y de un espejo de agua de 2 Has para destinarlas a otros usos.
- Asegurarse que en épocas de exceso hídrico aproximadamente cerca del 80%, de su terreno productivo no será inundado, reservando la parte superior de 1m de altura del reservorio para laminar las crecidas de su subcuenca propia.
- Proveer suelo para altear 1,00 m, más de 2,5 km de camino rural, dejando un perfil adecuado para que ese tramo quede en condiciones aceptables para estabilizar y mantener adecuadamente en el futuro.
- Necesidad de contar con una red alerta y monitoreo hidrometeorológico, que le permita adelantarse a los acontecimientos hídricos de mayor importancia.
- Es una solución técnica, que logrando los acuerdos correspondientes puede resultar con una conveniencia económica para ambas partes: productor – responsable de la vía.
- El material resultante de la excavación del reservorio se utiliza para materializar los alteos necesarios de los caminos rurales, pudiendo el propietario hacer una transacción con el municipio, consorcio caminero o ente recaudador como parte de las tasas, gravámenes o impuestos que debe abonar por su propiedad; durante un determinado lapso, hasta compensar con el valor del suelo aportado, el tributo correspondiente.
El trabajo de: excavación, ejecución del albardón, sistema de entrada y salida del agua, alambrados de ser necesarios, transporte del suelo excavado hasta el lugar del alteo y otros servicios que signifiquen algún costo, puede hacerlo y financiarlo el propietario o el responsable del tramo de camino; y la diferencia que resulte con el pactado por el material entregado, es lo que podría destinarse a compensar tributos.
- Se debe proponer favorecer la interacción entre ambas partes mencionadas en el punto anterior, dada la importante conveniencia para ambos.
- Debe tenerse en cuenta la necesidad de dar constancia de la obra a la autoridad hidráulica de la zona, aun cuando la misma se encuentre en una propiedad privada. En algunas jurisdicciones incluso prestar conformidad.
BIBLIOGRAFÍA
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Hidráulica de Canales Abiertos – Ven Te Chow – Engineering. University of Illinois.
