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Informe sobre cambios en el flujo hídrico al implementarse un sistema de terrazas en un predio

A. Ing Agr. Esteban T. Muñiz Padilla MP Nº 864 estebanm@campoalto.com.ar

B. Ing Agr. Fernando Tentor MP Nº 833 fernandot@campoalto.com.ar

C. -Ubicación:

El lote analizado se encuentra ubicado en el departamento La Paz provincia de Entre

Ríos. Está ubicado a 16,4 km al noroeste de la localidad de Alcaráz. Sus coordenadas

geográficas son 31°20'53.72"S y 59°39'33.35"O. La superficie del lote es 16,26 has.

D. Planteo del problema:

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La fracción analizada antes de ser sistematizada y de acuerdo a su topografía producía un

flujo de agua natural a través del movimiento laminar y por canales existentes hacia la

cuneta del camino vecinal que se encuentra aguas abajo. El lote presenta una divisoria de

aguas de modo que el agua proveniente de un sector del lote (Sector A) se conducía por la

cuneta hasta pasar por la alcantarilla (VER MAPA). El agua del otro sexto (Sector B) se

movía hasta la esquina sur este del campo produciendo encharcamiento en esa zona,

desbordando luego hacia el campo vecino y el camino vecinal. Es muy importante aclaran

que tanto la cuneta del camino vecinal, como la alcantarilla se encuentran en muy mal

estado, produciendo frecuentemente desbordes y roturas en el camino. Esta situación fue

informada a Vialidad en reiteradas oportunidades. (Fig. 1) .

Fig. 1

3

E. Objetivos:

• El propósito del presente informe es mostrar la situación del movimiento del agua

en el lote analizado.

• Presentar cómo era el movimiento del agua en el lote previo a la sistematización.

• Evaluar los cambios producidos en el flujo hídrico con la implementación del

sistema de terrazas.

• Presentar los valores de tiempo de concentración y caudal pico para el caso

planteado, antes y después de la sistematización.

F. Situación Previa a la sistematización

En el análisis de la situación previa se tendrá en cuenta el sector “A” que provoca el flujo

de agua por la alcantarilla. Como se dijo previamente el sector “B” provoca un flujo de

agua que se concentra en la esquina sur-este del lote provocando desbordes. En la figura

dos se observan las principales vías de drenaje que existían previamente en el lote. La

mayoría de las ellas se correspondían con sendas cárcavas (Fig. 2)

Fig.2

4

Otro elemento a tener en cuenta es que la alcantarilla se encuentre desplazada unos 30-35

metros al norte con respecto al lugar óptimo de salida del agua. Esto provoca

encharcamientos y deposición de materias en la zona, retraso en la salida del agua y

desbordes adicionales con zanjas y cárcavas fuera de sitio (Fig. 3).

Fig.3

Se realizó el cálculo del tiempo de concentración para la cuenca analizada mediante el

método propuesto por el manual de sistematización de suelos del INTA.

Donde : L – longitud del máximo recorrido del agua

S- Valor de sustracción

Y- pendiente del recorrido

5

Así mismo el tiempo de concentración Tc se calculó con la siguiente equivalencia:

Tc = 1.67 x Tr.

Los resultados se muestran en la siguiente figura (Fig.3)

Fig. 3

El valor de Tc de la cuenca es como se puede observar de 24.18 minutos o 0,4 hs.

G. Estimación del caudal pico para la situación previa.

a) Estimación de la precipitación de diseño:

La intensidad de diseño fue obtenida a partir de la resolución de la ecuación planteada para

curva I-D-F de la localidad de Paraná para una recurrencia de 20 años (Datos Dirección de

Hidráulica de la provincia de Entre Ríos).

Para un tiempo de recurrencia de 20 años y una duración igual al tiempo de concentración

de 24,18 minutos, la intensidad calculada fue de 131.3 mm/hs. La estimación de la lámina

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de diseño se realizó considerando una intensidad de lluvia constante durante un lapso igual

al tiempo de concentración. E decir:

131,3 mm/hs x 0,4 hs = 52,52 mm

Para el análisis del agua excedente producida por la precipitación se utilizó el método de

la curva número (CN) desarrollado por el servicio de conservación de suelos de los EEUU

(SCS-USDA) y posteriormente adaptado para su uso en condiciones locales. Este método

permite estimar la lámina de agua excedente que escurrirá de una lluvia, en función del

cultivo, la técnica cultural, la cobertura, el tipo de suelo y la condición de humedad

antecedente. El concepto establece una relación matemática entre el agua caída (P) y el

agua excedente (E) de acuerdo la siguiente expresión:

E = (P – 0.2 S)2 / (P + 0.8 S)

Donde:

E: lámina de agua escurrida (mm)

P: Precipitación de diseño (mm)

S: Sustracción potencial (mm.):

El valor de S es una función del suelo, de las condiciones de la superficie del terreno y de

la humedad antecedente. El valor de S se estima mediante la siguiente ecuación a partir de

un cierto valor de CN .

S= (2540/ CN)- 25,4 (cm)

CN: Curva Número: el valor de curva número se selecciona de tablas elaboradas por el

INTA que tienen en cuenta la cobertura, cultivo, forma de laboreo, dirección de laboreo,

etc. Grupo hidrológico de suelo (A, B, C, D) condición de humedad antecedente (seco,

medio, saturado).

Cálculo de E para una lluvia de 80,96 mm el predio en análisis sin terrazas y con un

cultivo de soja ( CN =94), suelo D (suelo arcilloso, infilatración pobre), condición de

humedad II (suelo húmedo).

1)- Cálculo de S

S= 2540 / 94 –25,4 = 1,621 cm = 16,21 mm

2) Cálculo de E E = (52.52 – 0.2 x 16,21)

2 / (52.52 + 0.8 x 16,21) = 37,08 mm

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Esto significa que en las condiciones dadas en el ejemplo una lluvia de 52,52 mm genera un

excedente de 37,08 (70,6 % de la precipitación) que escurren en el campo.

b) Estimación del caudal pico:

El caudal pico se estimó con el método propuesto por el manual de sistematización de

suelos del INTA.

Area = 9,15 has ; E = 0,03708 m ; D = 0,4 hs ; Tr= 0,24 hs.

Qp = 1,61 m3 por segundo

H. Plan de sistematización propuesto

A continuación se observa un bosquejo del proyecto realizado ( Fig. 4.).

Fig. 4

8

I. Modificación de la superficie total de aporte

De acuerdo al sistema de terrazas planteado, las terrazas de la parte alta del lote modifican

el movimiento del agua de modo que aumentan el área que escurriría naturalmente hacia la

alcantarilla. En la figura 5 se observa la superficie de aporte si no existieran terrazas. Dicha

superficie sería de 9,15 has y en la figura 6 se observa la superficie de aporte con la

implementación de las terrazas, esta es de 13,99 has. Si bien se produjo un incremento en el

área de aporte, se demostrará luego que las modificaciones en los valores de escurrimiento

y en los tiempos de concentración compensan este incremento.

Fig. 5 y 6

J. Estimación del tiempo de concentración para la situación con terrazas para una recurrencia de 20 años.

Se realizo el cálculo del tiempo de concentración para la cuenca analizada mediante el

método propuesto por el manual de sistematización de suelos del INTA, como fue

explicado en apartados anteriores.

Así mismo el tiempo de concentración Tc se calculó con la siguiente equivalencia

Tc = 1.67 x Tr.

Los resultados se muestran en la siguiente figura (Fig.7) .

9

Fig.7

El valor de Tc de la cuenca es como se puede observar de 86,02 minutos o 1,43 hs.

Obsérvese el incremento en el tiempo de concentración del sistema que ocurre al

implementarse el sistema de terrazas. Pasando de 69,43 minutos a 86,02 minutos. Más

adelante en este informe se pondrá en evidencia la importancia de este dato en la

reducción del caudal pico en comparación al sistema sin terrazas.

K. Estimación del caudal pico para la situación con terrazas

a) Estimación de la precipitación de diseño:

La intensidad de diseño fue obtenida a partir de la resolución de la ecuación planteada para

curva I-D-F de la localidad de Paraná para una recurrencia de 20 años (Datos Dirección de

Hidráulica de la provincia de Entre Ríos).Como se explicó precedentemente.

Para un tiempo de recurrencia de 20 años y una duración igual al tiempo de concentración

de 86.02 minutos, la intensidad de diseño calculada fue de 60,85 mm/hs. La estimación de

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la lámina de diseño se realizó considerando una intensidad de lluvia constante durante un

lapso igual al tiempo de concentración.

Es decir: 60,86 mm/hs x 1,43 hs = 87,02 mm

Para el análisis del agua excedente producida por la precipitación se utilizó el método de

la curva número (CN) desarrollado por el servicio de conservación de suelos de los EEUU.

De acuerdo a la siguiente ecuación:

E = (P – 0.2 S)2 / (P + 0.8 S)

Donde:

E: lámina de agua escurrida (mm)

P: Precipitación de diseño (mm)

S: Sustracción potencial (mm.): S= (2540/ CN)- 25,4 (cm)

CN: Curva Número

Cálculo de E para una lluvia de 87,02 mm el predio en análisis con terrazas y con un

cultivo de soja ( CN =84), suelo D, condición de humedad II.

1)- Cálculo de S

S= 2540 / 84 –25,4 = 4,83 cm = 48,3 mm

2) Cálculo de E E = (87.02 – 0.2 x 48,3)

2 / (87.02 + 0.8 x 48,3) = 47.62 mm

Esto significa que en las condiciones dadas en el ejemplo una lluvia de 87.02 mm genera

un excedente de 47.62 mm escurren en el campo.

b) Estimación del caudal pico:

El caudal pico se estimó con el método propuesto por el manual de sistematización de

suelos del INTA, como fue explicado precedentemente.

Area = 13,99 has ; E = 0,04762 m ; D = 1,43 hs ; Tr= 0,85 hs.

Qp = 0,88 m3 por segundo

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L. Comparación de los hidrogramas de ambos sistemas para una recurrencia de 20 años de acuerdo a las características de los sistemas (sin terrazas vs con terrazas)

Para el análisis comparativo de los hidrogramas producidos por los sistemas con y sin

terrazas se utilizo el método del hidrograma triangular desarrollado por el por el servicio de

conservación de suelos de los EEUU. De acuerdo a los siguientes parámetros:

Se presentan los datos para el hidrograma triangular estimado con los datos de las cuencas

de ambos sistemas analizados.

Sin terrazas Con terrazas

Tiempo al pico [hs] 0,44 1,57

Tiempo base [hs] 1,17 4,20

Q pico[m3/seg] 1,61 0,88

Q [m3] 3400,86 6645,41

Q medio [m3/hs] 2898 1584

tasa de incremento del caudal m3/hs 3,66 0,56

tasa de reducción del caudal m3/hs 2,19 0,34

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Para una recurrencia de 20 años se puede ver que:

• cuando se produce la tormenta de diseño, la situación con terrazas tiene un

hidrograma de 4,2 horas de duración en comparación con las 1,17 has en la

situación previa.

• Los caudales picos instantáneos son marcadamente menores en la situación con

terrazas. 0,88 vs 1,61 m3/seg.

• El volumen total de agua escurrido es mayor en la situación con terrazas pero la

intensidad con que sale del campo es menor. 1584 vs 2898 m3/hs.

• Las variaciones en el caudal que se producen en el sistema con terrazas son más

atemperadas que en la situación previa. Véanse las tasas de incremento y

disminución del caudal durante la tormenta.

• Si bien la cantidad de agua total es mayor en el sistema terraceado. La velocidad de

salida es marcadamente inferior.

M. Retardo en el flujo de agua por las terrazas

Para el analizar este punto se tendrá en cuenta un concepto hidrológico denominado tiempo

de concentración (Tc). El mismo es un concepto teórico que representa el tiempo que

demora en llegar al punto de salida de la cuenca, la gota hidrológicamente más alejada.

Para el cálculo del tiempo de concentración se tienen en cuenta parámetros de la cuenca

tales como longitud del máximo recorrido del agua, pendiente media de dicho recorrido y el

valor S (sustracción potencial) descrito más arriba. La idea aquí es presentar una serie de

gráficos que muestren la superficie que aporta agua en la boca de descarga (alcantarilla) en

diferentes momentos de una lluvia.. El análisis se hará primero en la situación sin terrazas y

luego con la sistematización existente. Finalmente se comparan los resultados .

A continuación se observan cinco gráficos mostrando la situación sin terrazas. ( A - E)

13

A

B

14

C

D

15

E

Los gráficos anteriores representan lo que sucede en una tormenta dada en el lote sin

terrazas. La forma de interpretar estas figuras es como sigue: Los gráficos muestran la

relación entre la duración de la tormenta y la superficie que aporta a la salida de la cuenca

en un momento dado. Por ejemplo a los 5 minutos el agua que se descarga proviene de una

superficie de 0,29 has (gráfico A) , a los a 10 minutos de 2,4 has (gráfico B) y así hasta

que a los 25 minutos toda el área de 9,15 has está aportando agua a la zona de descarga

natural (gráfico E).

Al aplicar el sistema de terrazas se logra modificar los valores de los tiempos de

concentración. Esto se logra porque se aumentan las longitudes del máximo recorrido del

agua, se modifican las pendientes y también los valores de S (sustracción potencial) como

hemos visto más arriba. El efecto es que se aumenta el tiempo de concentración. A

continuación se observan 10 gráficos (F - N) en los que se ve este efecto y como se

produce el retardo mencionado en el flujo de agua.

16

F

G

17

H

I

18

J

K

19

L

LL

20

M

N

21

En los gráficos se observa que el área de aporte en el sistema con terrazas crece más

lentamente que en el sistema natural. Esto se debe al retardo provocado por las terrazas en

el flujo de agua natural, como se explicó precedentemente. Obsérvese que mientras a los 15

minutos en el sistema sin terrazas (gráfico C) el área de aporte a la descarga es de 6,7 has

en el sistema con terrazas es de solo 1,27 has (gráfico H)..

En el grafico precedente se puede observar como el sistema de terrazas que está

funcionando en el campo produce un RETARDO en el movimiento del agua en el predio.

La curva de crecimiento del área en la situación sin terrazas crece rápidamente y alcanza su

máximo a los 24 minutos. En tanto que la curva para la situación con terrazas aumenta más

lentamente y iguala el valor de la situación sin terrazas aproximadamente a los 63 minutos.

Su valor máximo se alcanza a los 86.02 minutos. Nótese que en todas las lluvias menores a

63 minutos de duración el área de aporte a la zona de la alcantarilla siempre será menor en

la situación con terrazas.

22

N. Comparación de los hidrogramas de ambos sistemas para una misma tormenta de diseño

El objetivo de este punto es comparar que ocurriría en el sistema con terrazas si se produce

una tormenta “P” de igual duración a la que genera el caudal pico en el sistema sin

terrazas. Como se explicó anteriormente el tiempo concentración de la cuenca sin terrazas

era de 24,18 minutos. La intensidad calculada para una recurrencia de 20 años fue de

131.3 mm/hs. La estimación de la lámina de diseño se realizó considerando una intensidad

de lluvia constante durante un lapso igual al tiempo de concentración. E decir:

131,3 mm/hs x 0,4 hs = 52,52 mm

De acuerdo al análisis de curva número (CN) se puede ver que:

E = (P – 0.2 S)2 / (P + 0.8 S)

Donde:

E: lámina de agua escurrida (mm); P: Precipitación de diseño (mm)

S: Sustracción potencial (mm.): S= (2540/ CN)- 25,4 (cm)

CN: Curva Número

Cálculo de E para una lluvia de 52,52 mm en el predio bajo análisis con terrazas y

con un cultivo de soja ( CN =84), suelo D, condición de humedad II.

1)- Cálculo de S

S= 2540 / 84 –25,4 = 4,83 cm = 48,3 mm

2) Cálculo de E E = (52,52– 0.2 x 48,3)

2 / (52,52 + 0.8 x 48,3) = 20,15 mm

Obsérvese que mientras que en la situación sin terrazas una lluvia de 52,52 mm genera un

escurrimiento de 37,08 mm (70 %) cuando se implementa el sistema de terrazas, la misma

lluvia produce un escurrimiento de 20,15 mm (38,3%).

b) Estimación del caudal pico:

El caudal pico se estimó con el método propuesto por el manual de sistematización de

suelos del INTA, como fue explicado precedentemente.

Area = 13,99 has ; E = 0,02015 m ; D = 1,43 hs ; Tr= 0,85 hs.

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Qp = 0,38 m3 por segundo

Comparación de los parámetros de los hidrogramas para un mismo evento en la situación

sin y con terrazas:

Sin terrazas Con terrazas

Tiempo al pico [hs] 0,44 1,57

Tiempo base [hs] 1,17 4,20

Q pico[m3/seg] 1,61 0,38

Q [m3] 3400,86 2869,61

Q medio [m3/hs] 2898 684

tasa de incremento del caudal m3/hs 3,66 0,24

tasa de reducción del caudal m3/hs 2,19 0,14

Se puede observar cláramente que al producirse un evento pluviometrico igual para ambos

sistemas:

• Los picos de crecida son muy inferiores en el sistema terraceado (0,38 vs 1,61

m3/seg), por lo que la alcantarilla debe soportar un menor esfuerzo en el sistema con

terrazas.

• El volumen total erogado por el sistema es inferior en el sistema terraceado 2869 vs

3400 m3).

• El caudal medio de salida es muy inferior en el sistema terraceado (684 vs 2898

m3/hs)

• Las variaciones en los caudales son muy inferiores en el sistema terraceado.

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O. Comparación de tiempos de recurrencia para un mismo caudal pico

El objetivo del presente punto es mostrar la recurrencia de un evento pluviométrico que

produzca un caudal pico en la alcantarilla igual en los sistemas con y sin terrazas.

a) Cálculo de E ( lámina escurrida): Dado que :

Qp= 1,61 ; A= 13,99 ; Tp= 1,57

E= 0,08626 o 88,26 mm

b) Cálculo de P (precipitación de diseño): Dado que :

Donde 48,3 es el valor de S con terrazas calculado previamente y E es igual a 88,26

mm. Entonces al resolver la ecuación anterior se halla que P es igual a 130,41 mm.

c) Cálculo de i (intensidad de diseño): Dado que :

P = Tc x i entonces i = P/Tc i = 130,41/1,43 = 91,18 mm/hs

d) Estimación del tiempo de recurrencia para una intensidad de 91,18 mm/hs con

una duración de 1,43 hs: Dado que:

Al resolver la ecuación anterior se halla que el tiempo de recurrencia para un evento de las

características mencionadas, es decir que produzca un caudal pico igual al sistema sin

terrazas es igual a Tr = 116 años

25

A. Conclusiones

De acuerdo al análisis realizado con una recurrencia de 20 años, se desprende que:

La situación hídrica de la zona aguas abajo del lote sistematizado, correspondiendo al paso

de la alcantarilla sobre el camino vecinal, mejoró sustancialmente con la implementación

del sistema de terrazas.

Esto se debe a que el sistema implementado provoca los siguientes cambios en la cuenca

analizada:

1. Importante reducción del caudal pico erogado por el sistema con terrazas en

comparación a la situación previa, para la tormenta de diseño y con una

recurrencia de 20 años. De 1.6 a 0.88 m3/seg.

2. Reducción del escurrimiento por el aumento de los valores de sustracción.

3. Para tormentas de igual duración, las terrazas, producen una importante

reducción del los caudales pico y de los volúmenes totales de agua entregados

por el sistema.

4. Atenuación en la tasa de crecimiento del caudal durante una tormenta dada.

5. Morigeración del hidrograma la cuenca por el aumento del tiempo de salida

del agua y la disminución del caudal pico.

6. Aumento en los tiempos de concentración de la cuenca lo que provoca que a

igual duración de la tormenta el área de aporte a la descarga es menor en el

sistema con terrazas. Esto significa que a igual precipitación el agua que llega a

la alcantarilla será inferior en el sistema sistematizado.

7. Aumento de la seguridad del sistema. Dado que, una vez sistematizado el lote.

Para que se de una precipitación en la cuenca que genere un caudal pico en la

alcantarilla equivalente a que se dada antes de la sistematización la recurrencia

es de 116 años ( ténganse en cuenta que la recurrencia habitual para este tipo

de obras es de 20 años)

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B. Recomendaciones:

Se recomienda:

I. Realizar un correcto mantenimiento del sistema de conducción de agua

(terrazas y canales)

II. Arreglar y mantener correctamente el abovedado y cunetas del camino vecinal

para facilitar el movimiento del fluido.

III. Arreglar y mantener correctamente la alcantarilla que se encuentra sobre el

camino vecinal, que suele estar colmatada produciendo desbordes en el

camino.

IV. Evaluar con precisión la ubicación correcta de la alcantarilla, para ver si es

necesario cambiar su ubicación o bien agregar una adicional.

27

Indice Alfabético

Caudal pico situación previa.................................5

Comparación de hidrogramas ............................12

Comparación de tormentas de igual duración ...24

Comparación de tormentas que produzcan el

mismo caudal pico .........................................27

Conclusiones.......................................................28

Estimación Caudal pico con terrazas ....................9

Estimación del teimpo de concentracion con

terrazas ............................................................8

Modificación superficie de aporte....................... 8

Objetivos.............................................................. 3

Plan de sitematización propuesto ....................... 7

Plnateo del caso................................................... 1

Recomendaciones.............................................. 29

Retardo en el flujo de agua................................ 13

Situación previa ................................................... 3

Ubicación del lote ................................................ 1