5.12: Inundaciones

La definición de un diluvio

Aquí hay una definición simple de una inundación fluvial: la ocurrencia de un flujo de tal magnitud que sobrepasa las orillas naturales o artificiales en un tramo de cauce fluvial. Si existe una llanura aluvial, aquí hay otra forma de definir una inundación: cualquier flujo que se extienda sobre la llanura aluvial.

El volumen relativo de agua de inundación no es grande: en promedio, el agua descargada en exceso de la capacidad del canal constituye alrededor del 5% de la descarga anual total de la cuenca de drenaje dada. Pero el volumen absoluto de agua de inundación es asombroso. Ejemplo hipotético: una tormenta de dos pulgadas sobre una cuenca de una milla cuadrada cuyos suelos pueden absorber 0.5 pulgadas abastecería casi 3.5 millones de pies cúbicos de agua es un par de horas! (Eso es un cubo de 150 pies en un lado.)

Una inundación es una ola: tiene una forma ondulada (aunque muy tenue, con baja amplitud relativa a la longitud de onda), y se propaga río abajo a cierta velocidad, típicamente menor que la velocidad media del flujo de agua en el río.

Más sobre Llanuras Inundables

Aquí hay dos definiciones similares pero no del todo idénticas de una llanura aluvial, tomadas de la literatura:

• el área plana adyacente al cauce del río, construida por el actual río en el clima actual y frecuentemente sometida a desbordamiento (Leopold, 1994)
• el área plana contigua a un cauce de río construido por el río en el clima actual y desbordado en momentos de alta descarga (Dunne y Leopold, 1978)

Como aprendiste en una sección anterior, la existencia de una llanura aluvial es testimonio de la migración lateral del cauce del río. Con el tiempo, el canal cambiante barre todo el ancho de la llanura aluvial, erosionando el banco “frontal” y depositando el banco “trasero” a medida que avanza. Si el clima, o el nivel base, cambia de tal manera que el río se degrada (es decir, baja su lecho), se incisa la vieja llanura aluvial, formando un conjunto de terrazas, y se desarrolla una nueva llanura aluvial más estrecha. Si el clima, o el nivel base, cambia de tal manera que el río se agrada, la llanura aluvial típicamente (excepto en casos extremos) se agrava junto con ella.

¿Qué determina la altura de la llanura aluvial sobre el lecho del canal? Es decir, ¿por qué el río tiene el perfil transversal característico que vemos? Eso tiene que ver con la relación entre efectividad y frecuencia. Las bajas descargas son comunes pero no efectivas en el transporte de sedimentos y la conformación de canales, mientras que las descargas muy altas son muy efectivas pero muy poco frecuentes.
Las descargas con mayor efectividad en el mantenimiento de la geometría de canales y llanuras aluviales se encuentran en algún valor intermedio: altas pero no extremadamente altas, y comunes pero no extremadamente comunes. Para la mayoría de los ríos, las descargas llenas de bancos (las que se derraman sobre la llanura aluvial) ocurren una o dos veces al año, en promedio. (Resulta que la descarga que es responsable de la descarga máxima de sedimentos, en un periodo de tiempo dado como un año, llamada descarga efectiva, está muy cerca de ser igual a la descarga llena de banco. )

¿Cómo son las llanuras aluviales?

• Van en anchura desde varios metros, en los arroyos más pequeños, hasta muchas decenas de kilómetros, en los ríos más grandes.

• No son planos como tabla: tienen un relieve menor, en forma de pantanos y depresiones dejadas por el desplazamiento irregular del cauce del río.

• Se desarrollan en su sentido clásico en conexión con ríos serpenteantes. Los ríos trenzados funcionan de manera irregular en todo el valle, de tal manera que en cierto sentido todo el valle es “lecho de río”.

• Por lo general, están muy vegetados en su estado natural; de hecho, el efecto de estabilización bancaria de la vegetación es uno de los factores más importantes, si no el más importante, en la existencia de la llanura aluvial en primer lugar.

• Varían en su “humedad”: generalmente están secos y muy por encima del nivel freático local durante la mayor parte del año, y por lo tanto son propicios para el uso humano, pero en áreas con lluvias consistentemente altas y/o régimen fluvial fuertemente aggradacional, puede haber extensas áreas pantanosas en la llanura aluvial.

Aspectos Importantes de Inundaciones

Hay varios aspectos importantes de las inundaciones:

• descarga: la descarga es importante por su estrecha relación con la velocidad del flujo: ¿qué tan erosivo es el flujo de inundación en términos de bancos, diques y estructuras fluviales?
• etapa: la altura del agua determina los daños por inundación en la llanura aluvial (Esto es lo que más piensa el público en relación con las inundaciones). También, se relaciona con la capacidad de paso de agua de puentes, alcantarillas, vertederos de presas, etc.
• volumen: esto se relaciona con la cantidad de agua disponible para ser capturada e incautada en embalses para suministro de agua y control de inundaciones.
• área inundada: esta está determinada por la etapa junto con la topografía río-valle.
• velocidad de flujo: Aunque la velocidad del flujo es mucho menor sobre la llanura aluvial que en el canal principal, puede ser lo suficientemente grande como para causar daños.

Aquí hay algunas preguntas importantes relacionadas con las inundaciones de los ríos:

• ¿efectos gobernantes?

• ¿empeorando?

• ¿cómo controlar?

• ¿cómo predecir?

¿Cuáles son los efectos o factores importantes que rigen la magnitud de una inundación?

• Lluvias en la cuenca de drenaje aguas arriba del punto dado en el río dado. Esto se reduce tanto a la intensidad de la lluvia (profundidad por unidad de tiempo) como a la duración de la lluvia, y también al área de la cuenca de drenaje cubierta por la tormenta. El peor escenario es: alta intensidad durante mucho tiempo sobre una gran superficie de la cuenca de drenaje.

• Condición anterior de humedad del suelo en la zona de lluvia: seca, que disminuye la escorrentía, o saturada, lo que maximiza la escorrentía? La diferencia puede ser de hasta media pulgada de lluvia equivalente. Eso es un gran efecto para pequeñas inundaciones pero sólo un pequeño efecto para grandes inundaciones.

• Almacenamiento de canales. Piense en términos de lo que sucede cuando una descarga de inundación de un río río arriba entra en un lago grande. El lago tiene una gran superficie, por lo que el flujo de inundación tarda mucho tiempo en elevar la elevación del lago y, por lo tanto, aumentar la descarga fuera del lago. Este efecto de almacenamiento también está presente en una medida no despreciable a lo largo del propio cauce del río: A medida que la inundación avanza aguas abajo, tiene que llenar un volumen mayor y mayor de espacio en el propio canal del río. Este efecto atenúa la inundación en la dirección aguas abajo: en efecto, estira el hidrograma y baja su pico (ya sea en términos del hidrograma de etapa o del hidrograma de descarga).

• Geometría de canal. Cuanto más estrecho es el canal, para una descarga de inundación dada, más se eleva el escenario. Cuando la etapa llega a estar llena de bancos, el agua se extiende sobre la llanura aluvial, y la etapa aumenta mucho menos rápidamente con el aumento de la descarga.

• Transición de dunas a lecho plano. Como se discutió en una sección anterior, esto tiende a ralentizar el aumento de etapa con aumento en la descarga: el canal puede pasar una descarga dada a mayor velocidad y etapa inferior debido a la menor resistencia al flujo que brinda el lecho plano.

¿Están empeorando las inundaciones?

La respuesta a esa pregunta es ciertamente “sí”, en términos del valor en dólares del daño, solo por el mayor uso humano de las áreas propensas a inundaciones cercanas a los ríos. Pero la respuesta es sí también en términos de etapa superior, por el efecto de una mayor protección de diques: los diques evitan que las altas descargas se propaguen sobre la llanura aluvial, por lo que el ascenso en etapa se limita al interior del canal (Figura 3-49).

Figura 3-49. La etapa de un flujo de inundación para una descarga de inundación dada. A) Antes de la construcción de diques. B) Después de la construcción de diques.

¿También aumenta la descarga por inundación en promedio? Hay dos aspectos en esta pregunta.

(1) En las cuencas de drenaje urbanizadas, el porcentaje de superficie pavimentada aumenta, disminuyendo así el tiempo de concentración y tendiendo a producir picos más altos en el hidrograma (etapa y descarga) para una lluvia determinada. En las cuencas de drenaje rurales, la agricultura de suelo desnudo y la tala clara de bosques tienen el mismo efecto, aunque parece no ser un efecto realmente importante. (Sin embargo, su efecto sobre el rendimiento de los sedimentos es mucho mayor).

(2) La precipitación promedio en la cuenca de drenaje podría estar aumentando debido al cambio climático (aunque en gran parte de Estados Unidos, la predicción es que el calentamiento global disminuirá la precipitación en lugar de aumentarla). La “tormenta” (aumento de la incidencia de grandes tormentas pluviales) también podría aumentar.

¿Se pueden controlar las inundaciones?

Una mejor manera de plantear la pregunta sería: ¿cómo se pueden minimizar los daños por inundaciones, en el sentido de que una medida dada brinda más protección contra inundaciones de lo que cuesta instituir?

(1) Construir diques cada vez más altos. Sí, puedes mantener las aguas de inundación alejadas de la llanura aluvial construyendo los diques más altos. En un sentido real, sin embargo, esta es una actividad contraproducente (Figura 5-50). En condiciones naturales, la etapa de inundación le ha incorporado un efecto intrínsecamente autolimitante: el área de llanura aluvial es tanto mayor que el área del canal que, una vez que el río va más allá de la orilla llena para inundar la llanura aluvial, el aumento del nivel del agua es menor. (Pero recuerde que “menor” en un sentido natural puede ser catastrófico para las personas que viven en la llanura aluvial). Construir los diques más altos restringe la descarga del río a un ancho mucho más estrecho del valle del río, por lo que la etapa de inundación es mucho más alta de lo que hubiera sido el caso sin los diques más altos. Debido al efecto de eliminar el efecto de propagación de las llanuras aluviales, la protección efectiva requeriría diques poco prácticamente altos. Además, si esos diques altos están sobrecubiertos, es probable que los daños causados por las inundaciones en la zona de llanuras aluviales circundantes sean mucho peores que si los diques no hubieran estado allí.

(2) Presas de control de inundaciones. Claramente, los hidrogramas de etapa y descarga pueden reducirse aguas abajo de un punto dado en un río construyendo allí una presa de almacenamiento de agua: atrapar el agua para derribar el pico de inundación y liberar el agua lentamente más tarde en tiempos de menor descarga. Los problemas, aparte del gran costo de construir presas, es que el efecto disminuye aguas abajo, por lo que se necesitan varias presas. Durante décadas, a mediados del siglo XX, hubo una controversia sobre si construir muchas presas pequeñas en áreas aguas arriba o algunas presas grandes en áreas aguas abajo. Finalmente se concluyó que para un control efectivo de inundaciones en toda la cuenca, se necesitarían ambos conjuntos de presas.

(3) Gestión de tierras. Las buenas prácticas agrícolas (siembra en barbecho; agricultura de terraza; plantación de contorno) deberían incrementar la infiltración y así disminuir la escorrentía, y también alargar el tiempo de concentración. Una cuidadosa consideración ha demostrado, sin embargo, que el efecto se mide en décimas de pulgada de lluvia equivalente, por lo que sería efectivo contra inundaciones menores pero no inundaciones mayores. El gran beneficio es la disminución en gran medida de la erosión del suelo, lo cual es un asunto diferente (pero muy importante).

(4) Restricciones al uso humano de las llanuras aluviales. Claramente, ¡la mejor manera de prevenir daños por inundaciones es no poner nada susceptible a daños en las llanuras aluviales! El gasto de la reubicación suele ser demasiado grande para que esto sea práctico (aunque está sucediendo en algunos lugares; es un tema de política más que un tema científico), pero las medidas intermedias son efectivas: establecer vías de inundación y áreas de extensión que se utilicen para cosas como la agricultura (de ciertos tipos) y recreación, pero no estructuras permanentes. Sin embargo, esto no resuelve el problema para las zonas ya urbanizadas.

¿Se pueden predecir inundaciones?

La respuesta simple es simplemente “no”. Bueno, en cierto sentido se pueden predecir inundaciones, ¡pero sólo después de que la lluvia haya dejado de caer! Hay dos aspectos en esto:

(1) Ante la tormenta, predecir la escorrentía para crear un hidrograma de inundación

(2) Dado el hidrograma de inundación, observe la evolución del hidrograma a medida que la ola de inundación se mueve aguas abajo. Esta técnica se llama enrutamiento de inundaciones.

Se han desarrollado diversas técnicas aproximadas, y continúan siendo refinadas, para predecir la naturaleza de la ola de inundación aguas abajo de una tormenta en una cuenca de drenaje. Los supuestos y aproximaciones son muchos: distribución de la lluvia; extensión de escurrimiento vs. infiltración; tiempo de concentración para crear el hidrograma. Funciona bien para cuencas muy pequeñas pero no tan bien para cuencas grandes. Es una técnica de ingeniería estándar para cuencas muy pequeñas (mucho menos de una milla cuadrada). Sin embargo, una vez que una inundación está en marcha, existen buenas técnicas de enrutamiento de inundaciones para predecir su curso futuro río abajo. La ruta de inundación se trata extensamente en libros de texto sobre hidrología fluvial.

El otro aspecto de la predicción de inundaciones tiene que ver con la estadística o probabilidad de inundaciones. Se asume que, dado el clima y la naturaleza de la cuenca de drenaje aguas arriba de un punto dado en un río, existe alguna distribución de frecuencia subyacente de las inundaciones, ya sea en términos de etapa o descarga. Cualquier registro de inundaciones es entonces una muestra de población (en el jerga de las estadísticas) de esa distribución de frecuencia subyacente. Entonces, si conoces la distribución de frecuencias, puedes dar la probabilidad de una inundación dada en un periodo de tiempo determinado (eso no es una predicción, pero es muy útil para hacer un análisis o decisión costo-beneficio). Si estás interesado en conocer más sobre cómo los hidrólogos fluviales van a averiguar la probabilidad de una inundación dada en un periodo de tiempo determinado en un sistema fluvial determinado, ve al siguiente tema avanzado.

TEMA AVANZADO: EL ENFOQUE PROBABILÍSTICO DE LAS INUNDACIONES ERIVER

1. La pregunta importante que surge es: ¿qué se puede hacer para establecer la probabilidad de inundaciones muy grandes? Esto es sumamente importante, pero está plagado de dificultades. Así es como se hace, dado un largo registro de descarga en algún lugar a lo largo del río (ver Figura 5-51):

• Determinar la mayor descarga momentánea en cada año.

• Clasificar estos en orden de baja decreciente (siendo el más alto el número uno, siendo el más bajo igual al número de años de registro).

• Computar el intervalo de recurrencia (también llamado periodo de retorno), en años: el número promedio de años dentro de los cuales un evento dado (es decir, una inundación de magnitud dada) será igualado o excedido), por la fórmula T = (n +1)/ m, donde T es el intervalo de recurrencia, n es el número de años en el registro, y m es el rango del evento (o, equivalentemente, la probabilidad p de que un evento dado sea igualado o excedido en un año dado; eso se llama probabilidad de excedencia).

• Trazar los resultados en una gráfica con intervalo de recurrencia y/o probabilidad de excedencia en el eje horizontal y la descarga máxima anual en el eje vertical.

• Ajustar una curva suave a través de los puntos de alguna manera.

Figura 5-51. Un ejemplo de una curva de frecuencia de inundación. (De Leopold, 1994.)

2. Los resultados son confiables para el rango medio de la gráfica, pero se vuelven muy inciertos cerca del extremo de alta descarga debido al pequeño número de eventos muy grandes. Ajustar tal cola de una distribución siempre es un negocio complicado, pero es importante si se trata de tratar de extrapolar a tiempos mucho más largos, que es uno de los objetivos importantes de tal ejercicio. Se han utilizado diversas técnicas para ajustar dicha curva. Por lo general, se utiliza una especie de papel cuadriculado con eje vertical logarítmico (descarga) y un eje horizontal con láminas de goma para que ciertas distribuciones teóricas de frecuencias se grafiquen como líneas rectas. (Eso facilita el ajuste de las colas de la distribución.) Varias distribuciones de este tipo han estado en uso. El problema con el ajuste de la curva ciega es que uno o dos puntos no representativos o periféricos en el extremo de alta descarga pueden sesgar la curva significativamente. Algunos hidrólogos prefieren ajustar la curva a simple vista, usando el juicio sobre si incluir esos puntos aparentemente periféricos.

3. Un enfoque valioso es tratar de determinar, a partir de registros históricos, si la mayor descarga en el periodo de registro se superó en épocas anteriores. Si se puede establecer que el mayor egreso en el periodo de registro ha sido mayor que cualquier otro durante varios años antes del periodo de registro, el periodo de registro podrá extenderse atrás en el tiempo y rehacerse el ranking. Esto tiende a desplazar el punto marginal irrepresentativamente grande hacia la derecha y acercarlo más de cerca con el resto de la distribución.

Efectos de la Urbanización

La urbanización puede tener grandes efectos de la magnitud y frecuencia de las inundaciones. Aquí hay un ejemplo (Figura 5-52): Seneca Creek, cerca de Rockville, Maryland, drena un área de 100 millas cuadradas. Su cuenca hidrográfica ha sido objeto de mucha urbanización en las últimas décadas. Toma el acta de alta, de 61 años de duración, de 1931 a 1991, y divídala en dos partes iguales, temprana y tardía. La inundación promedio anual en el periodo 1931-1960 fue de 3000 cfs, en el periodo 1961-1991 fue de 6000 cfs-el doble de grande! De igual manera, el egreso banco-completo ocurrió 1.2 veces al año en el primer periodo pero 2.2 veces al año en el segundo periodo.

Figura 5-52. Curva de frecuencia de inundación para Seneca Creek, Maryland. (De Leopold, 1994)

Las precipitaciones fueron casi exactamente las mismas en los dos periodos, por lo que las grandes diferencias tienen que ser explicadas enteramente por los efectos de los efectos de la urbanización. El arroyo no se desvía artificialmente, por lo que presumiblemente el efecto ha sido causado por una disminución en el tiempo de concentración; cuanto más pavimento, más rápido es el escurrimiento y más corto es el tiempo de concentración.

Efectos de la Aggradación

Existe un grave problema a largo plazo en áreas, especialmente en los tramos inferiores de grandes ríos, donde el hundimiento de la corteza no es despreciable (es decir, el sustrato debajo del canal activo se mueve hacia abajo en relación con un dato como el nivel del mar) y/o donde el nivel del mar en sí está subiendo. (El primer efecto es más importante que el segundo.) El hundimiento puede ser una combinación de dos efectos:

• hundimiento profundo de la corteza

• hundimiento causado por compactación del sustrato sedimentario del río

El canal del río se agrada para seguir el ritmo del hundimiento y, en consecuencia, se encuentra cada vez más alto por encima de su llanura aluvial, porque, en condiciones de agradación neta, la deposición puede ser mucho más rápida en el canal, donde el río transporta la mayor parte de su sedimento, que sobre la llanura aluvial. En ciertos momentos el río atraviesa algún punto particularmente vulnerable a lo largo de sus diques naturales y encuentra su salida hacia la llanura aluvial, que ahora se encuentra en una elevación significativamente menor, y establece un curso completamente nuevo para largas distancias por la llanura aluvial. El proceso se llama avulsión; se dice que el río avulsa. Luego, el río procede a construir su cauce y sus diques, nuevamente a estar muy por encima de la llanura aluvial, y avularse una vez más. Las avulsiones a menudo se desarrollan durante un período de tiempo en lugar de ocurrir de una vez: cada vez más de la descarga del río se desvía a través de la brecha en el dique, inundación tras inundación. El resultado final, sin embargo, es el mismo.

Para evitar la avulsión, los humanos en áreas propensas a la avulsión tienden a construir diques cada vez más altos, con la esperanza de prevenir un evento tan desafortunado. El lecho del canal es cada vez más alto en relación con la llanura aluvial circundante (Figura 5-53).

Esto está sucediendo hoy en los tramos más bajos del río Mississippi. Gran parte de la ciudad de Nueva Orleans se encuentra muy por debajo del río. El Mississippi tiene una desafortunada preferencia por fluir por el río Atchafalaya hasta Morgan City. El Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos mantiene un gigantesco trabajo de cabeza en la orilla izquierda del río río arriba de Nueva Orleans para evitar que toda la descarga del Mississippi baje por el Atchafalaya; en la actualidad, alrededor de un tercio de la descarga sale del Mississippi en ese punto. El tiempo que se puede mantener tal situación es cuestión de cierta controversia. Si desea leer una cuenta atractiva del problema con el bajo Mississippi, consulte el libro de John McPhee (1989).

Figura 5-53. Un valle fluvial en el que el canal del río y las orillas del río se han degradado en relación con la llanura aluvial circundante, lo que hace que el río sea susceptible a la avulsión.

China tiene un problema aún mayor con los Huang He (en inglés, el río Amarillo), porque llevan mucho más tiempo luchando contra el río del que nosotros hemos estado luchando contra el Mississippi. Sé por haber estado en China que el lecho del Huang He en la ciudad de Kaifeng está a casi quince metros sobre las calles de la ciudad, ¡a solo varios kilómetros del río! Los chinos están trabajando arduamente para llegar a una manera de resolver este problema a largo plazo; para el corto plazo (algunas décadas más) los diques se consideran adecuados.