> REVISTA RIEMAT JULIO–DICIEMBRE 2022. VOLUMEN 7. NÚMERO 2. ART. 5 <
Análisis hidrológico en vías de áreas protegidas:
diagnóstico del acceso a la Reserva Ecológica Manglares
Churute Análisis del Plan Nacional de Eficiencia
Energética en el Ecuador
Orellana Gutiérrez Edgar Daniel
Universidad Laica Vicente Rocafuerte, Guayaquil – Ecuador
ingedanielito@hotmail.com
Resumen— Este estudio plantea el análisis
hidrológico superficial del caso de la vía de acceso
a la Reserva Ecológica Manglares Churute, en un
tramo del río del mismo nombre que cruza la vía
y que consiste en el principal cuerpo de agua del
sector. Esta área protegida es la que ha
presentado datos de máxima precipitación en la
región costa (INAMHI, 2001), su vía de acceso fue
diseñada por el MTOP siguiendo sus normas en el
año 2013. Se propone una comparación entre los
periodos de retorno con los cuales fue diseñada
esta vía frente a la máxima precipitación
extraordinaria que se tiene registro,
corroborando este diseño con los datos de lluvia
de este evento y contrastando de esa manera su
diseño hidráulico con la ayuda del software Hec
Ras identificando un posible sobre
dimensionamiento debido a que para los análisis
de períodos de retorno sobrepasan la periodicidad
con la que se presentan los fenómenos de máxima
precipitación.
Palabras Claves — Fenómeno de El Niño,
Precipitación, Período de Retorno, Reserva
Ecológica, NAME.
Abstract— This study proposes the superficial
hydrological analysis of the case of the access road to
the Churute Mangroves Ecological Reserve, on a
stretch of the river of the same name that crosses the
road and consists of the main body of water in the
sector. This protected area is the one that has
presented data of maximum precipitation in the
coastal region (INAMHI, 2001), its access road was
designed by the MTOP following its standards in
2013. A comparison is proposed between the return
periods with which this route was designed against
the maximum extraordinary precipitation that is
recorded, corroborating this design with the rain data
of this event and thus contrasting its design
hydraulics with the help of hec Ras software
identifying a possible oversizing because for the
analysis of return periods they exceed the periodicity
with which the phenomena of maximum precipitation
are presented.
Index Terms— El Niño Phenomenon, Precipitation,
Return Period, Ecological Reserve, NAME.
I. INTRODUCCION
Los elementos hidráulicos diseñados para el
drenaje en carreteras frecuentemente corresponden a
métodos que no toman en cuenta la respuesta
hidrológica de una cuenca en particular. Esto puede
producir un dimensionamiento insuficiente a los
requerimientos verdaderos del proyecto y a los
cambios climáticos (Kalantari, Briel, Lyon, Olofsson,
& Folkeson, 2014).
Por sus características, esta investigación es
de tipo descriptivo, debido a que en el Ecuador no
existen metodologías para el diseño de las vías en
áreas protegidas de acuerdo a sus características
propias. Las normas vigentes en su mayoría procuran
la mitigación del impacto ambiental durante su
construcción, dando directrices para que los métodos
constructivos afecten lo menos posible al entorno
natural existente. Poco se menciona acerca de los
componentes del diseño geométrico que sirva para
preservar el medio ambiente en las áreas protegidas,
los parámetros empleados para las vías dentro de
estas áreas son las mismas que indican las normas
vigentes para el universo total de las vías dentro del
territorio ecuatoriano.
El drenaje superficial de las aguas lluvias en
las vías de acceso construidas en los sectores
ecológicamente vulnerables es uno de los factores
predominantes que contribuyen al deterioro de las
cuencas hidrográficas en el mundo. (Trenouth,
Gharabaghi, & Farghaly, 2017). Según datos del
INHAMI, solo en enero del 2020 la máxima
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precipitación en el Ecuador ocurrió en Santo
Domingo en la región costa, con 142.6 mm.
(INHAMI, 2020), aunque este año no es el que
ostenta el récord de mayor magnitud de
precipitaciones. El record de mayor intensidad lo
ostenta el año 1998, durante el fenómeno del niño que
se manifestó desde el año 1997. Sin embargo no
siempre las máximas intensidades se presentan
durante estos fenómenos, esto es debido a que los
fenómenos de El Niño pasados no se caracterizan por
lluvias de gran magnitud, sino que se presentan por
un aumento en la temperatura del mar lo que en
algunas ocasiones provoca gran cantidad de masa de
nubes y en algunas ocasiones lluvias constantes,
como en el período 1982-1983 en el que
prácticamente no se presentara temporada de estiaje,
sino que ese invierno se prolongara hasta el año
siguiente; o incluso, ha llegado el extremo que no se
presenten lluvias extraordinarias en su magnitud, tal
como ocurrió en el último periodo de 2014-2016 en
el que se presentó un aumento excesivo en la
temperatura del mar (NOAA, 2020) pero no hubo la
presencia anormal de lluvias.
Por este motivo, las obras diseñadas y
construidas por el Ministerio de Transporte y Obras
Públicas MTOP establecen por lo general que el
parámetro de intensidad necesario para el
dimensionamiento de las estructuras de drenaje que se
debe usar para el diseño de las vías en el Ecuador
corresponde a la precipitación máxima en 24 horas
(Ministerio de Obras Públicas y Transporte, 2013),
estableciendo además diferentes períodos de retorno
en el cual se incluyen todos los datos disponibles,
incluyendo también las temporadas de precipitación
mínimas.
Sin embargo, por su naturaleza, el TPDA
dentro de las áreas protegidas es escaso debido a las
restricciones de tráfico vehicular y peatonal, por lo
que muchas instituciones públicas como el MTOP y
los Gobiernos Autónomos de cada provincia a veces
optan por diseñar y construir estas vías con una capa
asfáltica mínima y estructuras de drenajes
invariables para todos los órdenes viales de la
clasificación. Esto se suma al hecho de que las
máximas intensidades se han presentado en períodos
de tiempo mucho más cortos que los periodos de
retorno estimados, lo cual supone un
sobredimensionamiento de las estructuras de drenaje
lo que genera un mayor impacto cuando estas vías se
construyen dentro de las áreas protegidas. Debido al
impacto humano sobre el medio ambiente, la
naturaleza, la frecuencia y la magnitud de las lluvias
han variado (Sarhadi & Soulis, 2017). Esto último se
puede observar en la Figura 1, los datos de la NOAA
indican que la temperatura promedio en la superficie
del planeta ocurren durante los fenómenos de El
Niño y La Niña, llegando a incluso a repetirse en las
últimas décadas.
El Plan Nacional de Eficiencia Energética
(PLANEE) consta de tres etapas, en este análisis solo
se indagará lo que corresponde a la primera etapa que
se denominada: Acciones inmediatas o en desarrollo
(ver Figura 1), donde no se requiere recursos o ya
están considerados en los presupuestos, algunos de
estos proyectos también cuentan con el
financiamiento de las empresas privadas, tiene un
impacto moderado a mediano y está determinado
desde el 2017 al 2020, de manera paralela a esto se
debe ejecutar la etapa II que son acciones a corto
plazo (2020-2030) y la etapa III de acciones de
mediano plazo (2030-2035), para poder cumplir las
metas establecida.
Figura 1. Temperaturas de superficie anuales en
cada década desde 1950 (NOAA, 2016)
6
.
II. METODOLOGÍA
En el Ecuador las estructuras viales se las diseña
considerando un periodo de retorno de entre 25 a 50
años para las obras de arte menor y 50 a 100 años
para las obras de arte mayor, utilizando en ambos
casos los datos de lluvia anuales máximas de 24
horas (Ministerio de Obras Públicas y Transporte,
2013). La Reserva Ecológica Manglares Churute fue
creada en el año 1979 con una extensión de 49389
ha., constituye en la primera área protegida de
manglar de la costa continental ecuatoriana (Sistema
Nacional de Áreas Protegidas, s.f.). En el caso del
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diseño de la vía de acceso a la reserva, se empleó un
período de retorno de 10 años para las cunetas de la
calzada de la vía; entre 50 años para las alcantarillas
y en el caso del puente sobre el río Churute se utilizó
100 años con una revisión del galibo para un periodo
de 200 años. Para el cálculo de la intensidad se
empleó los datos disponibles hasta entonces de la
estación Guayaquil Aeropuerto, aplicando una
distribución mediante el método de Gumbel. Para el
cálculo de caudal se empleó el método racional para
cuencas menores de 500 has, y para superficies
mayores se empleó el método de Hidrograma
Sintético SCS.
Estos métodos y parámetros de diseño son los
comunes para el universo de las vías dentro del
territorio ecuatoriano. Para poder hacer un contraste
entre este método tradicional y los datos reales de la
máxima lluvia extraordinaria, es necesario tomar la
cuenta los mismos parámetros de diseño, incluidos
los de lluvia. La estación meteorológica empleada
para este diseño es la que más registros posee, con
datos que van desde 1960 hasta el 2010 al momento
de la realización del estudio. Sin embargo, con una
distancia aproximada de 40 kilómetros, no es la
estación más cercana al lugar del proyecto. Las más
cercanas son las estaciones M1123 Hacienda Taura
y M0477 Puerto Inca a 8.89 km y 15.47 km
respectivamente, pero con registros incompletos por
lo que además también se tomaron los datos de la
estación Guayaquil Aeropuerto para el respectivo
análisis. Estos datos indican que la precipitación
máxima en 24 horas ocurrió en el mes de abril del
año 1998 con una magnitud de 221.8 mm. Con esta
magnitud se realizó el cálculo del rio Churute y se
modelo mediante el software Hec Ras, calibrándolo
con los mismos datos del diseño; esto es un
coeficiente de Manning de 0.03 para las riberas del
río, 0.045 para la sección mojada del mismo y una
pendiente de 0.0032. Es probable que los eventos
extremos de lluvia se asocien con inundaciones y
daños, señalando que el riesgo de inundación se debe
en gran medida a la lluvia en lugar de a otros
factores, como la humedad del suelo, que son
importantes en otras áreas. Los problemas con la
calidad de los datos y los cambios en la ubicación de
observación dificultan en algunos casos determinar
la precisión de los totales de lluvia absoluta
registrados (Ashcroft, Karoly, & Dowdy, 2019). Sin
embargo, para efectos de estudio se utilizaron los
mismos datos con el que se realizó el diseño de la
vía.
El cálculo de la intensidad de la vía se la realizó
mediante la elaboración de las curvas de Intensidad-
Duración-Fecuencia IDF con un periodo de diseño
de 50 y 100 años, para cálculo del tiempo de
concentración tc, el cual es el tiempo que demora una
gota de lluvia desde su punto más lejano en llegar al
sitio de cierre de la cuenca que en este caso es la
ubicación del puente, se utilizó la expresión
California (California Highways and Public Works,
1942)
9
Donde: Tc: tiempo de concentración (horas); L:
longitud del cauce principal (kilómetros); H:
desnivel medio de la cuenca.
Si bien es cierto que la vía se encuentra dentro de
un área protegida, gran parte de la cuenca analizada
se ubica fuera de esta y por lo tanto expuesta a los
factores antrópicos. Se ha comprobado que el cambio
de uso del suelo produce un cambio en la reacción
hidrológica y la cantidad de escorrentía superficial
que se drena a través de una cuenca hacia una
carretera (Kalantari, y otros, 2014), por lo que para
calcular el flujo máximo descargado de esta cuenca,
se utilizó también el método del S. C. S. (Soil
Conservation Service, 1972). Este método se
desarrolló originalmente para usarse en pequeñas
cuencas agrícolas en los EE. UU, el método SCS está
aprobado para ser utilizado en la protección de
caminos rurales de acuerdo con las normas de diseño
del MTOP (Ministerio de Obras Públicas y
Transporte, 2013). La escorrentía en regiones rurales
ocurre solo cuando la intensidad de la tormenta
excede la capacidad de infiltración del suelo. El
método de escorrentía SCS hace uso del número de la
curva (CN) para abstraer el hietograma de lluvia total
en un hietograma de lluvia efectiva y poder modelar
un hidrograma para una salida de captación dada,
tomando en consideración las características del
hidrograma (tiempo de retraso, flujo máximo, tiempo
base, etc.) y a los parámetros de captación (superficie,
longitud, pendiente, tipo de suelo, cobertura del suelo,
etc.) (Ezz, 2018). El exceso de lluvia, Q, es una
función de la precipitación acumulativa excluyendo
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AREA
(km
2
)
S
(m/m)
L
(km)
Tc
(hr)
H
(m)
Q
p1
(m
3
/s)
Q
p2
(m
3
/s)
Q
p2
(m
3
/s)
45.82
0.0032
17.65
4.86
80
128.40
111.19
98.62
las pérdidas iniciales, Ia, y un valor de retención
potencial máximo, S, como se muestra en la ecuación.
donde Q, P, Ia y S están todos en mm. El término de
pérdidas iniciales, Ia, está considerando la
infiltración, el tipo de suelo, la cubierta terrestre, la
evaporación-transpiración, la intercepción y el
almacenamiento de la depresión superficial. Las
pérdidas iniciales se definen comúnmente como el
20% del valor de retención potencial máximo, S, en
cuencas áridas. El valor de retención potencial
máximo, S, es una función en CN como se muestra en
la ecuación.
donde el CN es un coeficiente hidrológico de
cobertura de suelo rocoso que representa el potencial
de escorrentía en cada cuenca. El CN es una función
de la condición de humedad antecedente (CHA), el
uso de la tierra y el tipo de suelo, en este caso el CN
se estima en 78 según los grupos hidrológicos de
suelo predefinidos en el diseño. De acuerdo con el
hidrograma triangular, la descarga máxima de
escorrentía, Qp, puede calcularse mediante la
ecuación.
donde: Qp: pico de descarga escorrentía (m
3
/s); A:
área de captación (km
2
); D: el exceso de duración de
la lluvia (h) y es igual a 0.5La; La: tiempo de retraso
(h) y es igual a 0.6Tc; Tc: tiempo de concentración
(hr).
Para la estimación del caudal de diseño se utilizó
un hidrograma unitario sintético por el método de
SUCS (Soil Conservation Service, 1972), el cual
expresa la relación del caudal q con respecto al caudal
pico qp y del tiempo t con respecto al tiempo de
ocurrencia del pico en el Hidrograma Unitario, Tp.
Los valores de qp y Tp pueden estimarse usando un
modelo simplificado de un Hidrograma Triangular,
dónde el tiempo está dado en horas y el caudal en
(m
3
/s) por altura de lámina de precipitación.
El Soil Conservation Service sugiere que el tiempo
de recesión puede aproximarse como 1.67 Tp.
Adicionalmente, un estudio de los Hidrogramas
Unitarios de muchas cuencas rurales grandes y
pequeñas indica que el tiempo de retardo: p tc ≈ 0,6×
t, donde el Tc. El tiempo de ocurrencia del pico Tp
puede expresarse en términos del tiempo de retardo tp
y de la duración de la lluvia efectiva Tr.
Figura 2. hidrograma triangular SCS
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Utilizando la misma delimitación de la cuenca
hidrográfica del área de diseño, se comprobaron todos
los parámetros hidrológicos, incluidas las pendientes,
las longitudes, el CN, etc. Finalmente, se calculó la
descarga máxima en la cuenca para el escenario de
mayor precipitación registrado en 1998 para ser
comparados con los del diseño a 50 y 100 años. Estos
datos se utilizaron como una entrada al Hec-Ras para
modelar las profundidades y elevación del espejo del
agua a lo largo del tramo de río analizado.
La tabla 1 muestra la descarga máxima de la
misma cuenca para los tres escenarios. El primer
escenario Qp1 es para el evento con un período de
retorno de 100 años, el segundo Qp2 para un evento
de 50 años y el tercer escenario Qp3 es para el evento
de mayor precipitación registrado en 1998, donde P =
221.8 mm
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Velocidad media (m/s)
0 200 400 600
Distancia ribera derecha de canal (m)
Veloc. Q
p1
Veloc. Q
p2
Veloc. Q
p3
1
0
Tabla 1. Características hidrográficas (Elaboración
Propia)
En Hec Ras, el tramo analizado se define a través
de 27 secciones transversales extraídos de la topografía
del área de estudio. Las secciones son cada 20 m de
distancia y cubren una la longitud total de 0.520 km.
del recorrido rio analizado, con un ancho promedio de
100m, de la cual el puente diseñado se encuentra en la
estación 0+220.Durante todo el trayecto, el coeficiente
de Manning está dispuesto a ser 0.045 para el cauce
definido y 0.03 para sus riberas, ya que el rio presenta
gran cantidad de maleza y sedimento. El régimen de
flujo en Hec Ras está configurado para ser mixto, la
condición de límite aguas arriba y aguas abajo se
establece como una paralela a la pendiente promedio
del río, esto es 0.0045 m/m.
Después de cumplir con todos los datos de entrada
y las condiciones de contorno en Hec Ras, la
simulación se realiza como un análisis de estado
estacionario. La Figura 3 muestra los perfiles de la
superficie del agua para los dos escenarios Qp1 y Qp2
que representan un evento con período de retorno de
50 y 100 años respectivamente, y Qp3 que representa
el evento máximo ocurrido en el área de estudio; el
nivel del lecho del rio también se muestra en la figura.
Figura 3. Perfil longitudinal de los Niveles de agua
Qp1 y Qp2 vs. Qp3 (Elaboración Propia)
En la Figura 4 se muestra que la diferencia entre
ambos espejos de agua en la estación 0+220 donde se
ubica el puente es de 0.46m entre Qp1 y Qp3. Esta
estación se muestra en la sección transversal
presentada en la Figura 4 donde se observa la
superficie del espejo de agua para los tres escenarios.
Figura 4. Perfil transversal de los Niveles de agua
Qp1 y Qp2 vs. Qp3 (Elaboración Propia)
Las Figuras 5, 6 y 7 muestran las velocidades a lo largo
del tramo analizado para los tres escenarios en la ribera
derecha, en el canal principal y ribera izquierda
respectivamente. Se observa que hay varias secciones
que presentan velocidades considerables superando los
1 m/s, pero la mayoría se encuentra debajo de este
rango.
Figura 5. Perfil longitudinal de Velocidades, ribera
derecha Qp1 y Qp2 vs. Qp3 (Elaboración Propia)
NAME Q
p1
NAME Q
p2
NAME Q
p3
Lecho del río
Elevación (msnmm)
2
4
6
8
10
Distancia del canal principal (m)
0 100 200 300 400 500
NAME Q
p1
NAME Q
p2
NAME Q
p3
Lecho del río
3
4
5
6
7
8
9
10
0 20 40 60 80 100
Elevación (msnmm)
Estación (m)
1
0
Velocidad media (m/s)
0 200 400 600
Distancia ribera derecha de canal (m)
Veloc. Q
p1
Veloc. Q
p2
Veloc. Q
p3
> REVISTA RIEMAT JULIO–DICIEMBRE 2022. VOLUMEN 7. NÚMERO 2. ART. 5 <
Figura 6. Perfil longitudinal de Velocidades, canal
principal Qp1 y Qp2 vs. Qp3 (Elaboración Propia)
Figura 7. Perfil longitudinal de Velocidades, ribera
izquierda Qp1 y Qp2 vs. Qp3 (Elaboración Propia)
Es bien sabido que las corrientes de agua generan
arrastre de suelo, los ríos en todo su cauce generan
erosión de fondo o lecho y erosión lateral o de ribera
(Milanés & Fabian, 2018). Gran parte de los cultivos
de la zona se dedican al sembrío de arroz, según Wang
frecuentemente los cultivos de arroz producen efectos
controladores que ayudan a evitar la erosión y permiten
la retención del suelo y del agua (Wang, y otros, 2019).
Este efecto de arrastre está directamente influenciado
por la lluvia, la intensidad en el desarrollo de la erosión
depende del tamaño y velocidad del agua de lluvia,
entre otros factores (QUISPE, 2018). Como se puede
observar en la figura 7, las velocidades alrededor de la
estación donde se encuentra ubicado el puente tienden
a ser más altas que en las demás estaciones, esto se
debe al estrangulamiento del río que se produce por la
presencia de la estructura existente que hace que su
capacidad hidráulica se reduzca, aumentando la
velocidad del agua. En estas estaciones el peligro de
tener altas velocidades puede producir erosiones
considerables y el transporte de sedimentos que debe
ser tenido en cuenta. El efecto de este arrastre de
sedimentos puede conducir además su asentamiento
aguas abajo y al desbordamiento en futuros eventos y
al colapso de la carretera. Las velocidades en la
estación 0+220 son más elevadas en el escenario de
máxima intensidad extraordinaria Qp3, excepto en la
ribera izquierda por lo que es recomendable la
implementación de estructuras de protección en este
sector.
IV. CONCLUSIONES
El desarrollo de softwares para el modelado de
cauces y cuencas hidrológicas son herramientas de
investigación muy útiles en el diseño de estructuras de
drenaje de carreteras, especialmente en donde no
existen datos hidrometeorológicos disponibles. En este
tipo de investigaciones, Hec Ras es una herramienta
muy útil para estimar los niveles máximos que los
flujos, sus velocidades y demás parámetros de diseño
pueden desarrollar a partir de eventos de alta
precipitación como en la Reserva Ecológica Manglares
Churute. El estudio indica que los eventos de máxima
intensidad son más frecuentes que los periodos de
retorno con las que se diseñan las estructuras de
drenaje de carreteras en Ecuador como muestra la
figura 8.
Figura 8. Lluvia máxima 24 horas desde 1960 hasta
2010, estación M0056 Guayaquil Aeropuerto.
(Elaboración Propia)
Velocidad media (m/s)
Veloc. Q
p1
Veloc. Q
p2
Veloc. Q
p3
0 200 400 600
Distancia del canal principal (m)
3
2
1
0
Velocidad media (m/s)
0 200 400 600
Distancia ribera izquierda de canal (m)
Veloc. Q
p1
Veloc. Q
p2
Veloc. Q
p3
1
0
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
1960
1963
1966
1969
1972
1975
1978
1981
1984
1987
1990
1993
1996
1999
2002
2005
2008
Lluvia máxima 24 horas (mm)
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El objetivo principal de este estudio fue modelar los
niveles de agua y sus velocidades a lo largo de un
tramo que constituye el área de influencia de la vía de
acceso que sirve de acceso a la reserva. Tres escenarios
de caída de lluvia se utilizaron en este estudio; una
tormenta de 50 y 100 años de período de retorno
definidos en el diseño, y el escenario en que se produjo
la mayor tormenta registrada en esta región en abril de
1998. Los tres escenarios indican que la mayor
tormenta registrada exigiría menos dimensionamiento
de las estructuras de drenaje que los estimados en el
diseño, lo cual afecta directamente a la reserva
ecológica Manglares Churute.
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