ESTUDIO DE AMENAZAS HIDRÁULICAS EN LA LLANURA DE INUNDACIÓN DE LA CUENCA DEL RÍO BOGOTÁ - CUNDINAMARCA – COLOMBIA

Hydraulic Hazard Study for the Floodplain of the Bogotá River Basin (Cundinamarca, Colombia)

DOI: https://doi.org/10.22206/cyap.2024.v7i2.3283

Recibido: 28/08/2024 • Aceptado: 15/10/2024

Cómo citar: Rodríguez Díaz, H. A., Otálora Carmona, A. H., Rodríguez Acevedo, J. D., Aguilar Piña, W. R. (2024). Estudio de amenazas hidráulicas en la llanura de inundación de la cuenca del río Bogotá – Cundinamarca – Colombia. Ciencia, Ingenierías y Aplicaciones, 7(2), 7-45. https://doi.org/10.22206/cyap.2024.v7i2.3283

1. Introducción

Para la localización y caracterización de las zonas riesgo por inundación en la llanura y los asentamientos humanos de la cuenca hidrográfica del Río Bogotá, producidas por fenómenos lluvia-escorrentía o por el fallo o colapso de infraestructura hidráulica, es necesario realizar la delimitación de la ronda hídrica de los ríos, canales y cuerpos de agua del sistema de drenaje.

La ronda hídrica es conocida a nivel internacional como zona riparia o ribereña, región de transición y de interacciones entre los medios terrestre y acuático, es decir, un ecotono. En tal sentido, son las franjas contiguas a los cuerpos de agua naturales continentales, estén en movimiento (lóticos como ríos, quebradas, arroyos) o relativamente estancados (lénticos como lagos, lagunas, pantanos, esteros), y el flujo sea continuo, periódico o eventual durante el año hidrológico. En los eventos de crecidas e inundaciones se transportan por el cauce y almacenan temporalmente en la ribera la escorrentía superficial con el agua, sedimentos y nutrientes que se producen en la cuenca hidrográfica. Tales funciones son expresiones de la conectividad longitudinal y transversal que ocurre con el régimen natural de flujo. La dinámica hidrológica determina en gran parte el tamaño y la forma del cauce y su entorno, donde su conformación morfológica depende fundamentalmente del régimen natural de flujo, es decir, del momento, la duración, la frecuencia, la tasa de cambio y magnitud de los caudales circulantes, ordinarios y extraordinarios. Dada las condiciones geográficas del país, la dinámica hidrológica está condicionada por procesos atmosféricos y climáticos que se constituyen en determinantes de los procesos de adaptación de los ciclos biológicos de las especies en los ecosistemas acuáticos y los de ribera⁵.

La cuenca del Río Bogotá, localizada en el Departamento de Cundinamarca - Colombia - Suramérica, tiene una extensión planar de 5925.89 km² (5932.79 km² geodésicos), y dentro de ella se encuentran los embalses reguladores en zonas altas presentados en la Tabla 1 y la Figura 1. Con respecto a la zonificación de amenaza sísmica definida por el Servicio Geológico Colombiano, esta cuenca se encuentra mayoritariamente en zona intermedia y solo una pequeña fracción localizada cerca de la entrega al Río Magdalena, se encuentra en zona de amenaza alta.

Por su localización geográfica en llanura, en esta investigación no se consideran los Embalses de Aposentos, Muña y humedales de Bogotá como elementos generadores de riesgo, razón por la cual, no se incluyen en la modelación de descarga súbita y son solo utilizados como cuerpos de amortiguación de crecientes.

En el embalse seco de Cantarrana, no se han incluido descargas súbitas directas; lo anterior debido a que es utilizado solo para atenuación de las crecientes provenientes de la parte alta del Río Tunjuelo y desde los embalses Chisacá y La Regadera, los cuales sí incluyen hidrogramas de descarga.

De acuerdo con la capa geográfica de Municipios, Distritos y Áreas no municipalizadas de Colombia (versión 2024.06.30) del Instituto Geográfico Agustín Codazzi - IGAC, y tomando como referencia el límite de la subzona hidrográfica 2120 del IDEAM, los 47 municipios con influencia geográfica directa sobre la cuenca del Río Bogotá (incluido el distrito capital) en el Departamento de Cundinamarca, son los mostrados en la Figura 2. Dentro de estos municipios y el distrito capital, existen asentamientos humanos, qué por su localización geográfica, pueden estar expuestos a amenazas de inundación.

Para las clases de entidad, mapas y modelos utilizados en esta investigación, se ha utilizado el sistema de referencia de coordenadas Magna Origen Único Nacional de Colombia (EPSG 9377).

2. Modelo digital de elevación híbrido – DEM

Para el ensamble del modelo digital de elevación híbrido con cobertura sobre toda la cuenca, se ha utilizado el modelo digital de superficie – DSM Copernicus (resolución de 30 metros), los modelos digitales de terreno LIDAR de la ciudad de Bogotá D.C. (resoluciones de 5 y 0.5 metros), un modelo de elevación generado a partir de polígonos de construcciones (resolución de 0.5 metros) y un modelo digital de terreno con los canales a superficie libre, en puntos de intersección de drenajes con pasos de vía (resolución 0.5 metros). Durante la revisión de cotas, se pudo evidenciar que la calidad del modelo Copernicus, es superior a la contenida en el modelo NASA ALOS PALSAR (resolución 12.5 metros), pudiéndose observar en algunas zonas sin vegetación, mayor detalle del corredor, las geoformas del Río Bogotá y varios de sus afluentes principales; lo anterior debido a la tecnología SAR (Synthetic-aperture radar) de alta resolución empleada por la Agencia Espacial Europea - ESA. La diferencia de elevaciones encontradas entre el modelo de superficie Copernicus y el modelo digital de terreno LIDAR Bogotá D.C. 2020, es de máximo +1 metro, mientras que la diferencia con respecto al modelo NASA ALOS PALSAR, está alrededor de +21 metros y sin el mismo nivel de detalle, a pesar de que su resolución es mayor.

Los modelos digitales de elevación (de terreno o DTM, de superficie o DSM e híbridos), han sido utilizados en las simulaciones hidráulicas 2D, para obtener las propiedades geométricas de las celdas del modelo. Los modelos digitales de terreno en canales, localizados en puntos de intersección de pasos de vía con drenajes (puentes y alcantarillas), generados a partir de secciones de muestreo y ejes, han sido utilizados para la corrección o limpieza de canales en pasos de vía.

En la Figura 3, se pueden observar los 310 pasos de vía identificados dentro del área urbana de Bogotá, de los cuales, 217 requirieron de ajuste en el modelo de terreno.

En la Figura 4, se presenta un ejemplo del ajuste realizado en pasos de vía, a la izquierda se puede observar el modelo digital de terreno LIDAR de una intersección vehicular (con secciones transversales de referencia y ejes sobre dos canales), y a la derecha el ajuste realizado al modelo de terreno, incorporando las secciones a superficie libre del canal.

Las construcciones, obtenidas de la Unidad Administrativa Especial de Catastro Distrital de Bogotá D.C., han sido utilizadas como complemento en la creación del modelo de terreno híbrido y son consideradas en esta investigación como bloques de obstrucción del modelo hidráulico; también son utilizadas para el ajuste del mapa general de rugosidades, debido a que en las caras de mallado, son requeridos valores altos de rugosidad e impermeabilidades en cero (excepto en construcciones con cubiertas ecológicas o SUDS). A partir de las cotas de cubierta, estimadas con la cota de su centroide más la altura de la edificación y semisótano, se ha generado la grilla de elevación de construcciones. La Figura 5 contiene una representación del modelo de terreno híbrido y una sección de muestreo sobre el Canal Callejas y el Canal Contador.

La Figura 6, contiene una representación 3D del modelo de terreno de la cuenca del Río Bogotá, el sistema de embalses, la red de drenaje principal y los perfiles de los ríos principales.

3. Red de drenaje urbana y rural

La red de drenaje, construida a partir de la capa de Corrientes de Agua de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá - EAAB, ha sido utilizada en RAS Mapper de HEC-RAS, para el refinamiento del mallado de cauces principales y para la visualización de perfiles y resultados del modelo hidráulico. Esta red ha sido complementada incluyendo la digitalización de ejes en zonas de paso por cuerpos de agua (embalses, lagunas, humedales), conexión de descarga de embalses a cauces receptores, extensión de continuidad en canales bajo pasos de vía y en conductos e interceptores. La red de drenaje obtenida y complementada tiene una longitud total de 8750.1 km, de los cuales, 53.7 km corresponden a digitalizaciones realizadas en esta investigación (ver Figura 7).

Los siguientes elementos que hace parte de la red de drenaje, son las líneas de banca o corona y las líneas de transición de mallado. Estos elementos, al igual que los drenajes, también son utilizados para el refinamiento del mallado y son requeridos para el confinamiento hidráulico del flujo dentro de la sección y para la lectura de tiempos de permanencia de flujo en coronas. En esta investigación, se realizó la digitalización de 1613.9 km de estos ejes dentro del área urbana de Bogotá, cuyas longitudes se presentan en la Tabla 2 y se ilustran en la Figura 8.

4. Mapa de suelos y grupos hidrológicos

Versiones recientes de HEC-RAS, permiten la simulación de la precipitación y abstracción e inclusión de mapas de infiltración. Se ha utilizado como referencia, el Mapa Digital de Suelos del Departamento de Cundinamarca, República de Colombia a escala 1:100.000 del año 2001, creado por la Subdirección de Agrología - Grupo Interno de Trabajo Geomática, del Instituto Geográfico Agustín Codazzi – IGAC, al cual se le han asociado los grupos hidrológicos y tasas de infiltración del Soil Conservation Service – SCS del Natural Resources Conservation Service o USDA, del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos de América. Los suelos de la cuenca del Río Bogotá han sido asociados a 4 grupos principales (A, B, C, D) según su tasa de infiltración, cuando estos no están cubiertos o protegidos por vegetación, están completamente saturados y reciben precipitación durante largos periodos de tiempo. También, se ha utilizado la combinación de las clases A/D y B/D, dependiendo de la asociación de suelo definida en el mapa utilizado. La Tabla 3 contiene los grupos de clasificación, la descripción y asociación de suelos utilizada y los valores de referencia de infiltración utilizados en esta investigación. En la Figura 9 se realiza una representación de los grupos y tasas de infiltración asociadas.

5. Mapa de usos del suelo y rugosidades

Para la construcción del mapa para asociación de coeficientes de rugosidad de Manning y porcentajes de impermeabilidad por tipo de cobertura de suelo, se ha utilizado como referencia el Mapa Digital de Vocaciones de Uso del IGAC de la República de Colombia a escala 1:100.000 del año 2013, creado por la Subdirección de Agrología - Grupo Interno de Trabajo Geomática, del Instituto Geográfico Agustín Codazzi – IGAC, el cual ha sido recortado y homologado hasta el límite del Departamento de Cundinamarca. Los valores asignados han sido obtenidos de la tabla de referencia NLCD - Manning's n Values del manual de usuario de HEC-RAS Mapper⁶. La Tabla 4 presenta los valores utilizados en esta investigación y la Figura 10, presenta su distribución sobre la cuenca del Río Bogotá.

6. Simulación hidráulica bidimensional de descargas súbitas de embalses

HEC-RAS es un software de modelación hidráulica de ríos, desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros Militares de los Estados Unidos de América y es ampliamente utilizado para investigación científica, debido a que permite realizar análisis unidimensionales de flujo permanente con cálculo de perfiles, simulaciones de flujo no permanente (1D y 2D), incorporación y modelación de estructuras hidráulicas, modelación de transporte de sedimentos (1D y 2D) y análisis de calidad de agua. Una de sus ventajas principales, es que dispone de una interfaz geográfica en la que se pueden integrar modelos digitales de elevación, crear geometrías para la representación de la red de drenaje y definir regiones para la creación de mallados.

Para la simulación de descarga súbita de embalses y suponiendo que, ante un evento sísmico de gran magnitud se presente su colapso simultáneo, se ha ensamblado un prototipo de modelación bidimensional (denominado Model0) con cobertura completa sobre la cuenca del Río Bogotá. Las características generales del prototipo incluyen el modelo digital de elevación híbrido, el refinamiento del mallado a partir de los alineamientos de cauces principales (en una longitud de 906 kilómetros), la incorporación de mapas de suelos y coberturas, la modelación de los sistemas de drenaje de la cuenca y los canales a superficie libre dentro del área urbana de Bogotá. En este prototipo, no se han incorporado las líneas de banca ni las líneas de transición para refinamiento del mallado, se ha excluido la precipitación directa y las cargas de viento, y no se ha realizado el ajuste de fondos de canales obtenidos a partir de información Lidar, considerando que, ante eventos extremos, la fracción correspondiente al volumen ya transportado reduce su capacidad hidráulica. El prototipo en su versión inicial no ha sido calibrado, debido a que no se cuenta con registros históricos de eventos de descarga súbita de embalses en esta cuenca para este tipo de fenómenos.

6.1 Archivos componentes del modelo

Para el ensamble del prototipo HEC-RAS, se utilizaron los elementos y archivos descritos y mostrados en la Tabla 5 y la Figura 11.

6.2 Mallado y mapas asociados

El mallado ha sido creado con la herramienta RAS Mapper de HEC-RAS, y ha sido refinado utilizando los alineamientos de los cauces principales de la red de drenaje de la cuenca, contenidos en la capa geográfica Breakline_9377_v0.shp, los cuales contienen las líneas de drenaje identificadas como Breakline = 1 o Breakline = 2, cuyos parámetros de mallado han sido definidos como FarSpace = NearSpace, NearRepeat = 0 y multiplicadores de distancia a partir de valores originales en drenajes definidos como Breakline = 1 con NearSpace multiplicado por 4 y Breakline = 2 con NearSpace multiplicado por 6. Las especificaciones del mallado se presentan en la Tabla 6 e ilustran en la Figura 12.

El valor global definido del Coeficiente de Rugosidad de Manning únicamente es aplicable a celdas en la que no exista cobertura en el mapa de usos del suelo. Para este estudio se ha definido un mapa global con cobertura sobre todo el Departamento de Cundinamarca y la cuenca del Río Bogotá.

El valor de tolerancia de longitud de celda se define en RAS Mapper desde el menú Tools / Options… / Mesh Tolerances / Maximum Face Length Tolerance (Percent), y de acuerdo a las recomendaciones del manual técnico de HEC-RAS, en modelos cuyo propósito es también la modelación de sedimentos, el porcentaje de tolerancia debe ser definido al rededor del 15%, sin embargo, al realizar pruebas de mallado se pudo observar que para la topología de la red que combina diferentes tipos de ancho de sección, la definición de este porcentaje generaba celdas triangulares con terminaciones alargadas y con traslapo sobre otras celdas, por la cual y teniendo en cuenta que el prototipo solo será utilizado como referente para descargas súbitas desde embalses, se estableció la tolerancia en 5%.

Con respecto a los mapas de usos del suelo, infiltración y porcentaje de impermeabilidad, estos han sido asociados a la geometría del prototipo Model0Geometry, tal como se muestra en la Figura 13.

6.3 Salto computacional de cómputo

El salto computacional de modelación ha sido definido adaptativo, tomando como referencia la Condición de Courant y la metodología que utiliza la relación de la velocidad en las caras, entre el largo promedio de las celdas del mallado, tal como se presenta en la Ecuación 1. Para la definición de los valores de velocidad mínima y máxima (entre 0.001 y 60.83 m/s), se han tomado como referencia las velocidades desarrolladas del flujo en los extremos de la llanura de inundación y en el frente de onda, cuando éste pasa de la transición de montaña a valle, sin embargo, estos valores son objeto de futuras investigaciones debido a su importancia en la ejecución del modelo. En la Tabla 7, se presentan los valores utilizados en la simulación.

$$C=\frac{V\mathrm{\Delta }T}{\mathrm{\Delta }X}\mathrm{ (Ecuación\; 1)}$$

Donde:

C = Número de Courant

V = Velocidad de la onda de flujo o celeridad de onda (m/s)

ΔΤ = Salto computacional de cómputo (s)

ΔΧ = Tamaño promedio de caras del mallado (m)

6.4 Hidrogramas

Para la localización de las condiciones de frontera y la distribución del volumen almacenado y descargado súbitamente desde cada embalse, se han utilizado los factores del hidrograma unitario de la Natural Resources Conservation Service NRCS del Departmento de Agricultura de los Estados Unidos de América, correspondiente al hidrograma ajustado utilizado en el estado de Michigan⁷, distribuido en pulsos horarios para una duración total de 8 horas. Los valores de este hidrograma unitario han sido utilizados en la primera versión del modelo hidráulico, sin embargo, en futuras versiones de este estudio, se realizará un análisis extendido de los diferentes patrones aplicables a cada embalse. Los pulsos y su representación gráfica son presentados en la Figura 14.

Para la generación de los hidrogramas de descarga súbita en cada embalse, se ha tomado el valor de la capacidad de almacenamiento en Hm³ y se ha dividido en 8 pulsos de 1 hora. Para obtener el total del volumen descargado en cada embalse, se ha estimado (mediante función objetivo en Microsoft Excel) un factor de distribución de 0.285714285714286. Al inicio y fin de cada hidrograma, se han incluido pulsos complementarios correspondientes a los caudales medios descargados desde en cada embalse, cuyos valores han sido incluidos en la Tabla 1. En la Tabla 8 se presentan las capacidades de almacenamiento utilizadas y los picos máximos de flujo obtenidos en la distribución temporal. La Figura 15 presenta los hidrogramas a utilizar en cada localización de las condiciones de frontera establecidas, las cuales han sido trazadas aguas abajo de la pantalla de cada presa.

6.5 Ejecución

Para la ejecución del modelo hidráulico 2D, se han utilizado las ecuaciones de la onda difusiva (DSW), estableciendo como condición inicial de precalentamiento, una fracción de 0.1 con respecto al primer pulso. Para la matriz de solución, se ha utilizado el algoritmo de cálculo de volumen finito PARDISO (Direct), el cual ha permitido obtener una solución numérica más estable.

De acuerdo con lo establecido en el Manual de Referencia Hidráulica de HEC-RAS, la ecuación de la onda difusiva, describe la conservación de la masa y el momentum. Una solución discreta a esta ecuación puede ser obtenida sustituyendo la ecuación de aproximación de la onda difusiva en la ecuación de continuidad, como se presenta en las Ecuaciones 2 y 3.⁸

$$\frac{{\mathrm{\Omega }}_i^{n+1}-{\mathrm{\Omega }}_i^n}{\mathrm{\Delta }t}-\sum _{k\in K(i)}{s}_{i,k}{\alpha }_k\frac{z_{s,R}^{n+\theta }-z_{s,L}^{n+\theta }}{\mathrm{\Delta }{x}_N}=S_i+Q_i\mathrm{ (Ecuación\; 2)}$$

Donde:

$$S_i=-\sum _{k\in \mathrm{K}(i)}{s}_{i,k}{\alpha }_k(\frac{{\tau }_s,N}{pgh}-\frac{1}{pg}\frac{P_{a,R}-P_{a,L}}{\mathrm{\Delta }{x}_N})\mathrm{ (Ecuación\; 3)}$$

Una vez las ecuaciones de la DSW son resueltas, las velocidades pueden ser obtenidas sustituyendo la profundidad de la lámina de agua obtenida en la ecuación.

Los parámetros generales para cálculo y presentación de resultados en el modelo ensamblado son presentados en la Tabla 9. Con respecto a las tolerancias de cálculo, se ha definido para la superficie del agua un valor de 0.003 m, flujo en 0.1 % y caudal 0.03 m³/s.

Revisando los resultados de la ventana de ejecución del modelo, se pudo establecer que el máximo error encontrado de elevación de la superficie del agua (WSEL) correspondiente a 12.25%, se presentó en la celda 103952, que se encuentra ubicada abajo de la descarga del Embalse del Neusa y sobre el río. Lo anterior debido a la alta pendiente del terreno en esta zona y el volumen descargado. En la Figura 16 se puede observar el detalle de su localización.

7. Análisis de resultados

Para la lectura de los resultados obtenidos, se han identificado diferentes localizaciones estratégicas sobre la cuenca. Por una parte, es importante analizar cómo se desarrolla el flujo una vez las descargas de cada embalse llegan a la zona de transición de llanura, también como éste se desacelera a medida que se extiende por la planicie de inundación, e identificar zonas en las que las descargas provenientes de diferentes vertientes colisionan. Los puntos de lectura de resultados son presentados en la Tabla 10.

7.1 Extensión y profundidad de la inundación

El mapa de la zona inundable tiene una extensión de 831.65 km², con respecto al área total de la cuenca (5925.89 km²), corresponde al 14.04% de su superficie. La Figura 17 ilustra la cobertura máxima de la inundación obtenida. En la envolvente de resultados se observa una profundidad instantánea de 633.03 metros, lo cual indica que es necesario distribuir el hidrograma de entrada a lo largo de múltiples celdas en la condición de frontera, lo anterior debido a los altos caudales picos utilizados.

Evaluando los resultados obtenidos, se pudo determinar que una vez se desarrolla completamente el flujo de descarga súbita de cada embalse y este llega y fluye lateralmente por la planicie de la llanura de inundación, puede alcanzar frentes de onda u olas de hasta 10 o más metros de altura en algunas zonas, tal como se ilustra en la Figura 18. La lectura de profundidades del flujo en los puntos de estudio es ilustrada en la Figura 18.

Las descargas súbitas y flujos drenados del Embalse San Rafael se encuentran con las que vienen del Embalse de Tominé, justo en la zona de llanura baja y cerca de la cabecera municipal del Municipio de Sopó. El flujo y su desplazamiento es gobernado durante algunas horas por las descargas del Tominé, tal como se presenta en la Figura 19.

Todo el flujo proveniente desde los embalses del norte y este (Tominé, Neusa, Sisga y San Rafael), ingresa a Bogotá por la garganta que genera el sistema montañoso del Río Bogotá y Río Frío. Al llegar al área urbana, este se bifurca por la formación de los Cerros de Suba, y parte se descarga en contraflujo por el canal Guaymaral hasta que el frente de onda pasa, luego, el sentido del flujo se invierte hacia el Río Bogotá hasta drenar la inundación producida, como se observa en la Figura 20.

El flujo de descarga proveniente desde los embalses Chisacá y La Regadera, es drenado o amortiguado en la llanura, antes de que los flujos provenientes del sistema norte y este ingresan o se desplacen por el área urbana de Bogotá. Ver Figura 21.

Luego de la inundación, gran parte de los flujos de excesos que se descargan sobre los humedales y canales de la ciudad de Bogotá, son drenados hasta volver casi a su estado regular. Sin embargo, la zona de descarga del embalse del Muña hasta el Santo del Tequendama no dispone actualmente de información Lidar de alta precisión, para poder simular completamente la descarga y vaciado de la llanura inundable remanente, como se presenta en la Figura 22. Es por ello por lo que, en futuras investigaciones, se ha propuesto incorporar al modelo digital de elevación híbrido, esta información de detalle.

7.2 Velocidad máxima del flujo

La Figura 23 ilustra la distribución de las velocidades máximas obtenidas. En la envolvente de resultados se observa una velocidad instantánea de 144928.55 m/s, lo cual indica que al igual que en los resultados de profundidad, es necesario distribuir el hidrograma de entrada a lo largo de múltiples celdas en la condición de frontera.

Los resultados generales obtenidos de velocidades en los puntos de análisis definidos cuyos valores oscilan entre 0.001 y 5 m/s, son presentados en la Figura 24. Además, se puede identificar que en varias de las localizaciones y luego de que el frente de onda es descargado, las velocidades oscilan entre 0.04 y 0.12 m/s.

En el modelo se ha podido observar que los frentes de onda de las descargas provenientes del Embalse del Neusa y las combinadas provenientes de los Embalses Tominé y Sisga, se desplazan a velocidades similares hasta encontrarse cerca al Embalse de Aposentos en el Municipio de Sopó, esto a pesar de que la llanura inundable del Río Bogotá es más amplia en el corredor de descarga del Tominé y que los volúmenes descargados son mayores. La Figura 25 ilustra estos dos frentes de onda.

7.3 Presión hidrostática del flujo

La Figura 26 ilustra la distribución de las presiones máximas obtenidas. En la envolvente de resultados se observa una presión instantánea de 5339.68 KN/m², lo cual indica que al igual que en los resultados de profundidad y velocidad, es necesario distribuir el hidrograma de entrada a lo largo de múltiples celdas en la condición de frontera.

Los resultados generales obtenidos de presión en los puntos de análisis definidos cuyos valores oscilan entre 0.01 y 1000 KN/m², son presentados en la Figura 27. Además, se puede identificar que en varias de las localizaciones y luego de que el frente de onda es descargado, las presiones oscilan entre 8 y 102 KN/m².

7.4 Número de Courant

Los resultados generales obtenidos del número de Courant (relación Velocidad / Longitud) en los puntos de análisis definidos cuyos valores oscilan entre 0.001 y 100 (adimensional), son presentados en la Figura 28. Una vez el frente de onda pasa sobre estos puntos, los valores de la relación V/L tienden a 0.001.

7.5 Identificación de asentamientos humanos amenazados

Otro análisis particular, fue la identificación de los asentamientos humanos localizados expuestos a amenazas de inundación por este tipo de fenómenos. Si bien, no es probable que todos los embalses colapsen al mismo tiempo como se ha definido en el prototipo elaborado, si se puede dar la condición de que sus flujos se combinen en localizaciones particulares.

Para la identificación de estos asentamientos, se ha utilizado como referencia el mapa de Usos Propuestos del Suelo integrado por la Gobernación de Cundinamarca, que se encuentra disponible en el portal de mapas de la Infraestructura de Datos Espaciales Cundinamarca - IDEC. Este mapa esta basado en la información provista por los municipios del departamento en sus planes de ordenamiento territorial al año 2007 y se han utilizado solo los subgrupos correspondientes a suelos urbanos, de expansión urbana y suburbanos, con la inclusión de otras áreas urbanas y zonas urbanizadas, cómo la ciudad de Bogotá.

Entre las zonas con mayor cubrimiento de zonas inundables sobre áreas de asentamientos humanos, se encuentran los municipios de Suesca, Sesquilé, Gachancipá, Cogua (centros poblados cercanos al Río Neusa), Zipaquirá (Pasoancho y parte de Barandillas), Tocancipá (parte baja del casco urbano y zona suburbana sobre corredor de servicios viales), Sopó (parte baja del casco urbano y Briceño), Cajicá, Chía, Cota (parte baja del casco urbano y sector Parcelas), La Calera, Funza, Mosquera, Soacha (parte baja del casco urbano sobre zona central y sector La Despensa) y gran parte del área urbana de la ciudad de Bogotá D.C., tal como se ilustra en la Figura 29.

8. Conclusiones

Para el ensamble y ejecución de modelos hidráulicos bidimensionales de gran escala, es necesario disponer de información topográfica de alta precisión, para la integración de modelos híbridos digitales de elevación, combinados con bloques de obstrucción generados a partir de construcciones e infraestructura y corredores de canales bajo pasos de vía. Como se pudo evidenciar en los resultados obtenidos, parte del flujo remanente de descarga, no pudo ser drenado completamente abajo de la entrega del Embalse del Muña al Río Bogotá, debido a que en esta zona la información topográfica obtenida no disponía de suficiente detalle. Dentro de la zona urbana de Bogotá, se pudo observar que el flujo combinado de descarga drenaba adecuadamente por la red de canales y sistemas de humedales, hacia zonas bajas y hacia el Río Bogotá.

Si bien, el prototipo de modelación hidráulica 2D ha sido construido a partir de un mallado que utilizó celdas principales de 240 metros con refinamiento sobre ejes de drenaje, se pudo observar que el desplazamiento de la onda difusiva de descarga súbita proveniente desde los embalses evaluados permite la transferencia del flujo entre celdas, el desarrollo de los frentes de onda y su viaje a través de la cuenca.

Para los saltos computacionales de cómputo definidos adaptativos a partir de la condición de Courant (utilizando la relación Velocidad / Longitud), se utilizaron velocidades de referencia de entre 0.001 y 60.83 m/s, con lo cual los valores de Courant oscilan entre 0.0082 y 500 (adimensional) para los tamaños de celdas establecidos. Durante la ejecución del modelo y la lectura de resultados en 12 puntos estratégicos y en zonas donde ya se encuentra completamente desarrollado el flujo, se pudo validar que los valores obtenidos oscilan entre 0.001 y 100.

La simulación suponiendo la descarga súbita simultánea desde los embalses localizados en zonas altas, ha permitido identificar zonas de choque de flujo, como las presentadas cerca de la cabecera urbana del Municipio de Sopó, no obstante, se pueden presentar condiciones diferentes si las descargas no se producen simultáneamente. Igual sucede con los flujos de descarga provenientes desde el Embalse Chisacá y La Regadera, estos son drenados antes de que el frente de onda proveniente del norte llegue a la ciudad, sin embargo, se puede presentar una condición en la que la descarga súbita del sur sea producida posterior a la proveniente del norte, combinando estos dos flujos en el sur de la ciudad de Bogotá D.C.

Los hidrogramas utilizados como referencia de descarga desde cada uno de los embalses han sido generados a partir de un único patrón y duración, lo cual no necesariamente permite reproducir la condición más crítica de flujo simultáneo en la llanura.

Se recomienda que los resultados presentados en este artículo sean utilizados únicamente como referencia para validación del funcionamiento del modelo hidráulico ensamblado. Análisis específicos de amenazas por inundación en municipios y determinación de rondas hídricas detalladas, requieren de información topográfica complementaria, estudios hidrológicos de lluvia-escorrentía, incorporación de los fondos topo-batimétricos de drenajes y simulación utilizando las ecuaciones de la onda dinámica, que tiene en cuenta los términos de la aceleración local y convectiva.

9. Material suplementario

https://github.com/rcfdtools/R.HydroBogota

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* Autor de correspondencia.

¹ Profesor investigador del Centro de Estudios Hidráulicos de la Universidad Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, Bogotá, Colombia, Suramérica. Correo-e: alfonso.rodriguez@escuelaing.edu.co

² Profesor investigador del Centro de Estudios Hidráulicos de la Universidad Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, Bogotá, Colombia, Suramérica. Correo-e: andres.otalora@escuelaing.edu.co

³ Profesor investigador del Centro de Estudios Hidráulicos de la Universidad Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, Bogotá, Colombia, Suramérica. Correo-e: juan.rodriguez@escuelaing.edu.co

⁴ Profesor investigador del Centro de Estudios Hidráulicos de la Universidad Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, Bogotá, Colombia, Suramérica. Correo-e: william.aguilar@escuelaing.edu.co

⁵ Adaptado de: Guía técnica de criterios para el acotamiento de las rondas hídricas en Colombia, Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible.

⁶ U.S. National Land Cover Database (NLCD) - Manning's n values reference table. https://www.hec.usace.army.mil/confluence/rasdocs/rmum/latest/land-classification-layers

⁷ Mas información en https://learn.hydrologystudio.com/hydrology-studio/knowledge-base/nrcs-unit-hydrograph-peak-factors/

⁸ Tomado de: https://www.hec.usace.army.mil/confluence/rasdocs/ras1dtechref/latest/theoretical-basis-for-one-dimensional-and-two-dimensional-hydrodynamic-calculations/2d-unsteady-flow-hydrodynamics/hydraulic-equations/diffusion-wave-approximation-to-the-shallow-water-equations