Simulación numérica de inundaciones fluviales en las Omañas (León)propuesta de medidas correctoras

Resumo

Esta tesis tiene como objeto la modelización matemática y simulación numérica de los flujos superficiales en las cuencas bajas de los ríos Luna y Omaña (provincia de León), teniendo en cuenta los datos de caudales de los últimos años. Así mismo, y a la luz de los resultados, proponer una serie de medidas para disminuir todos los riesgos asociados. En el capítulo1, con la idea de tener una visión general del tema, se presenta una recopilación sobre distintos enfoques del estudio y materias afines que nos ayudan a completar la información. Se incluye también la descripción de la zona geográfica donde se sitúa el estudio. Se trata de un área de poca pendiente, sobre terrenos cenozoicos, con una confluencia de dos ríos, en cuyas llanuras de inundación se encuentran distintas poblaciones, la principal es Santiago del Molinillo, y también áreas agrícolas de importancia, como los cultivos de lúpulo. Debemos tener en cuenta a la hora de realizar este tipo de investigaciones, que hay normativas estatales y autonómicas sobre el riesgo de avenidas, el libro blanco del agua, etc. que nos pueden afectar. A continuación (en el capítulo3) se describen las técnicas empleadas a lo largo de la realización de esta tesis. Entre esta metodología destacamos las técnicas de estudio hidrológico, climático y geológico, que sirven de base para las simulaciones. Se han recogido datos de los últimos 30 años (1984-2014) de las estaciones hidrométricas cercanas (obteniendo calados) y de las estaciones meteorológicas (recogiendo pluviometrías y temperaturas), que posteriormente se han analizado. Por su parte, para conocer más en profundidad la dinámica fluvial, nos ayudamos de la geología, estudiando distintas muestras cogidas en la zona. En este capítulo también se recuerda la base matemática necesaria para las simulaciones, partiendo de las ecuaciones de Navier - Stokes para llegar a las ecuaciones bidimensionales de aguas someras, mediante un promedio temporal y una posterior integración vertical, y el método de resolución elegido: volúmenes finitos. Los métodos basados en volúmenes finitos son muy apropiados para la resolución de modelos dentro del ámbito de la dinámica de fluidos, dado que representan de manera muy adecuada las bases físicas de dichos problemas. De hecho, el software que se utiliza en esta tesis, el código Iber, emplea dicho método de resolución para calcular, a partir de calados puntuales, rugosidades y topografía, los calados y velocidades de la lámina de agua tanto en los cauces como en la llanura de inundación (y así poder ver los efectos de las avenidas). El capítulo 4 expone más en profundidad el análisis del área geográfica para conocer sus características y está formado por 6 secciones distintas. En la primera sección se hace una revisión del clima de la zona, teniendo como base los datos aportados por AEMET y el Ayuntamiento de Las Omañas, entre otros, lo que proporciona un clima árido - templado con invierno frío y falta de estación seca. En la siguiente sección se trabaja la hidrología, con un análisis de caudales de un periodo de 30 años para establecer caudales medios y, a partir de ellos, años secos y años húmedos. Con estos datos y los apuntes de temporales y avenidas con inundaciones nos podemos hacer una mejor idea de la situación que se quiere evitar. La tercera sección describe la caracterización de la cuenca en organismos oficiales, principalmente en el PHC, elaborado por la CHD, donde se describe como una área de riesgo potencial significativo de inundación (ARPSI). Aun así, y con la mala calidad de las aguas, la CHD no estima oportuno una gestión a corto - medio plazo del área para bajar el riesgo. También se han analizado los cambios en la dinámica fluvial y en la actividad humana a lo largo de los años, a través de fotografías aéreas tomadas entre el 1945 y el 2004. En ellas se observa un aumento de edificaciones, redes de comunicación y terrenos agrícolas en las llanuras de inundación, a la vez que se deteriora y disminuye la dinámica fluvial, al encauzarse los ríos y reducir su sinuosidad. En la sección quinta se realiza un análisis morfológico y geomorfológico, de tal manera que se estudia el tipo de red fluvial dando como resultado una red rectangular en cabecera que pasa a dendrítica en el curso bajo de los ríos. Además, se anota la erosión encontrada en los cauces y la excavación de las orillas en ciertos puntos, provocado por la acción hidráulica. Por último, en este capítulo se analiza el material transportado por los ríos hasta su confluencia. Este trabajo se ha realizado en muestra de mano, donde se ha observado que los materiales depositados son groseros (con un diámetro medio de aproximadamente 5 cm), formando barras centrales y laterales, sin material fino. Estos materiales tienen una esfericidad media, que va en aumento a medida que crece la distancia a la cabecera, y son cuarcitas en su gran mayoría. Además, se han analizado en microscopio, observando una textura granoblástica, presentando minerales accesorios. Este análisis a lo largo del cauce, determina que dichas muestras transportadas provienen de la formación Barrios, aunque con los datos accesibles y al no haber ninguna gran avenida en la duración de la investigación, no es posible conocer si el transporte se ha producido en un episodio o en distintos. Esta sería una línea de trabajo futura. El capítulo 5 describe la aplicación del software Iber para la obtención del modelo hidrodinámico. En una primera calibración del modelo se trabaja con un área pequeña, alrededor de la población de Las Omañas, donde se prueban todas las opciones y se valida si los datos introducidos son suficientes para obtener los resultados deseados. En esta aproximación se define que todas las simulaciones se realizarán en lecho del río seco y esquema numérico de Roe de primer orden para la resolución aproximada de los problemas de Riemann que aparecen en las interfases de los volúmenes de control. Se han comparado varias opciones en cada caso (lecho seco o mojado, diferentes esquemas...) y dado que los resultados obtenidos en cada caso son similares, se ha optado por las variables que ofrecen menor tiempo de computación. Una vez está claro cómo se van a llevar a cabo las simulaciones, estas se han hecho para un caudal medio, los máximos instantáneos de los años hidrológicos 2000-2001 y 2013-2014 y el caudal máximo instantáneo registrado (uniendo el máximo de cada uno de los ríos, independientemente de en qué año se hayan producido). Se han elegido estos caudales para ver la situación más común (caudal medio) y los efectos ante grandes avenidas. Además, del año hidrológico 2013-2014 se tiene registro fotográfico de los efectos de las inundaciones, que se utilizan para validar el modelo y los resultados obtenidos numéricamente. Los resultados de las simulaciones indican que hay puntos problemáticos por donde se genera un gran flujo de agua hacia la llanura de inundación a ambos lados de los cauces principales. Ya en la simulación de caudal medio se pueden apreciar esos puntos, lo que lleva a pensar en unas obras de medidas preventivas estructurales. Además, se observan los tiempos de avance de la lámina de agua y su extensión a cada segundo, por lo que se puede utilizar para establecer los avisos de los sistemas de alerta, de cara a una posible evacuación. Para la validación se han comparado las alturas de agua calculadas con Iber con las alturas medidas en los puntos de las fotografías tomadas el día en cuestión por los vecinos, que concuerdan perfectamente (salvando únicamente el error posible por los métodos de medida utilizados), lo que confiere verosimilitud a las simulaciones realizadas. En el capítulo 6, por último, se proponen una serie de medidas de defensa ante las posibles avenidas, divididas en medidas no estructurales y medidas estructurales. Las primeras se basan en los cálculos temporales de las simulaciones, los mapas de riesgo y peligrosidad y la topografía del área. Se deja claro en la sección que el municipio debe tener un plan de prevención frente al riesgo de inundación (según INUNCyL) y actualmente no dispone del mismo. Además, se proponen un sistema de alarma, la instalación de paneles informativos y una mejor gestión de los embalses, ya que en los momentos de grandes lluvias y deshielo se suma el desembalse y provoca más daños. Como se ha especificado, en otra sección del capítulo 6 se han diseñado unas medidas estructurales para reducir las alturas de agua en la llanura de inundación gracias a diques paralelos a los cauces principales. Su diseño está adaptado a la zona y a sus características, y gracias a Iber podemos ver el efecto que tendrían para las avenidas ya simuladas, por lo que la posibilidad de variar sus medidas y características no supone un coste añadido. Es por ello que finalmente se han fijado 4 diques en el área, de un tamaño medio - corto y una altura no superior al metro, que reducen en gran medida la lámina de agua en la llanura y evitan que entre en las calles de las poblaciones. Uno de los diques está situado en el río Omaña, evitando así el corte del puente de Las Omañas. Otros tres están situados en el río Luna, evitando la inundación de Mataluenga y reduciendo el impacto sobre los terrenos agrícolas. Con el estudio realizado podemos concluir que utilizar las técnicas matemáticas y los software adecuados es posible diseñar actuaciones para reducir los daños provocados por grandes avenidas de agua sin un alto coste.