Introducción
Venezuela ha experimentado una acelerada urbanización del medio físico terrestre que supone inmensas presiones demográficas sobre las cuencas de drenaje. Esta situación exige el diseño de programas y obras de ingeniería hidráulica para la conducción de los flujos de agua, y la evaluación de las amenazas por inundaciones en las actividades de planificación urbana (Valencia y Guevara, 2014; Florez, 2018).
Los aludes torrenciales o flujos de detritos de gran magnitud, las crecidas y los flujos de barro son algunas de las consecuencias más comunes en cuencas de sectores montañosos con pendientes pronunciadas y escasa cobertura vegetal. Estas se convierten en un peligro cuando hay concentración de población, lo que obliga a dar respuestas técnicas que contribuyan a minimizar el impacto de las diferentes condiciones ante el incremento de la relación lluvia-escorrentía superficial (Olivares et al., 2015).
En Venezuela, una de las regiones más vulnerables a estas amenazas naturales es la Cordillera de la Costa, sistema montañoso donde se localizan las cuencas de drenaje del río Petaquire-Mamo y la quebrada La Zorra (tramo central), que ha experimentado precipitaciones extremas en diciembre de 1999, febrero de 2005, diciembre de 2010, además de las lluvias estacionales anuales (mayo - septiembre), con el agravante del bajo nivel de preparación de organismos oficiales y de la población para afrontar estos eventos (Genatios y Lafuente, 2020).
Estos fenómenos afectan directamente la principal entrada de agua de los sistemas hídricos del frente costero montañoso, favoreciendo el terreno para la génesis de importantes aludes torrenciales, producto de las altas pendientes y las características litológicas de un material meteorizado y altamente fracturado, que encuentra en las intensas lluvias el agente desencadenante de grandes movimientos en masa. Estos últimos no sólo alteran la dinámica hidráulica de las cuencas, sino que también provocan desequilibrios debido a la excesiva descarga de sedimentos en la playa, que contribuye a modificar las condiciones de vida de los ecosistemas marinos existentes (García, 2004; Batista y Bustos, 2018; Olivares y Hernández, 2019).
De ahí que el estudio tenga como objetivo analizar la respuesta hidrológica de las cuencas de drenaje del río Petaquire-Mamo y la quebrada La Zorra, mediante la generación de modelos hidrológicos (hidrogramas) a distintos periodos de retorno en el HEC-HMS. Se trata de un programa con capacidad para emitir análisis detallados de los escenarios propensos a sufrir en las cuencas mediante la predicción de tormentas y la generación de unidades hidrológicas homogéneas, que permiten interpretar el tiempo de respuesta de cada sistema (El Alfy, 2016; Ramos y Pacheco, 2017; Rey y Zambrano, 2017).
El HEC-HMS es un modelo hidrológico de uso frecuente, creado por The U.S. Army Corps of Engineers (USACE), accesible en el dominio gratuito y que puede estimar la escorrentía a partir de la lluvia. Diferentes investigadores han utilizado este modelo con muy buen resultado sobre otros para simular escorrentía, con gran utilidad en el pronóstico de las inundaciones y la planificación y gestión de recursos hídricos. Es considerado como un programa eficiente y confiable para la simulación de escorrentía en una cuenca (Sahour et al., 2016; Sahu et al., 2020).
Materiales y métodos
Localización y caracterización del área de estudio
La investigación se enmarca en las cuencas hidrográficas del río Petaquire-Mamo y la quebrada La Zorra (Figura 1), enclavadas en el flanco norte de la Cordillera de la Costa, específicamente en la región occidental del estado La Guaira, en Venezuela. La litología se encuentra influenciada por fallamientos antiguos y recientes, y se constituye a partir de rocas metamorfizadas y algunos sedimentos del Terciario Superior (Picard y Goddard, 1975; Florez, 2018), donde subyacen una amplia diversidad de complejos y unidades litológicas clasificadas como las Asociaciones Metamórficas de la Costa, Ávila y Metasedimentaria Caracas (Genatios y Lafuente, 2020).
El relieve es estrictamente montañoso con rangos altitudinales que van desde los 0 msnm hasta los 2324 msnm en el caso de la cuenca del Petaquire-Mamo, y hasta los 980 msnm en el caso de la quebrada La Zorra. Las pendientes oscilan entre 3% y > 25%, lo que define topografías que van desde suaves y moderadas hasta zonas muy escarpadas.
El clima en esta zona es, según la clasificación de Köppen, semiárido tropical (BShi), con temperaturas medias anuales que oscilan entre los 27 °C en la costa y los 16 °C en la zona alta. Las precipitaciones (Figura 2) no se distribuyen uniformemente debido a la orientación del relieve, los vientos predominantes (alisios del NE) y algunas circulaciones locales que afectan principalmente a la cuenca del río Petaquire-Mamo, y en menor medida a la quebrada La Zorra.
El uso del espacio está determinado por la presencia de industrias e infraestructuras turísticas, así como establecimientos no conformes de viviendas que degradan y estructuran los suelos para el predominante y acelerado urbanismo (Florez, 2018).
Láminas máximas de precipitación y diseño de curvas de Intensidad Duración Frecuencia (IDF) y Profundidad Duración Frecuencia (PDF)
Se seleccionaron datos de profundidades de láminas máximas de precipitación de las estaciones climatológicas Alto de Ño León del periodo (1948-2001), estación Carayaca (1974-1995) y estación Mamo (1975-1983), por estar localizadas en lugares representativos dentro de las cuencas y poseer información necesaria para los análisis. Esta selección se basó en los postulados planteados por Ávila Parra y Martín Vide (2013) y Carrera et al. (2013) sobre la longitud de los registros y por ser representativas del área de estudio. A partir de la aplicación de la prueba de datos dudosos fueron eliminadas las anomalías que superaron los umbrales máximos y mínimos permitidos. Posteriormente se calcularon las distribuciones de probabilidades de valores extremos tipo I o método de Gumbel, y se diseñaron las curvas IDF y PDF necesarias para la predicción de escenarios extremos y el diseño de hidrogramas sintéticos en el HEC-HMS (Aguiar et al., 2018).
Modelaciones hidrológicas
Para el análisis de las cuencas se diseñaron 32 modelos hidrológicos con el programa HEC-HMS (v 4.4.1) en frecuencias de tormentas de 6 y 24 horas, e intervalos de 5 y 15 minutos. La selección del programa se debió a su capacidad para generar modelos de escorrentía superficial a partir de datos de precipitación histórica o hipotética, que pueden ser vistos mediante la representación de la cuenca como un sistema de componentes interconectados (Chow et al., 1994; Sahu et al., 2020).
En el caso de la cuenca del río Petaquire-Mamo la estación Alto de Ño León representó la sección más elevada del sistema (2101 msnm), mientras que la estación Carayaca fue usada para modelar la sección media (972 msnm) y la estación Mamo la sección baja (81 msnm). Para la quebrada La Zorra se usó únicamente la estación Mamo.
Los resultados fueron analizados en función de dos criterios base, el primero centrado en los caudales generados para los distintos periodos de retorno (2,25,50 y 100 años), y el segundo referido a la similaridad geométrica de cuencas propuesta por Horton (1945) y modificada por
Strahler (1964), así como los posibles efectos de la dinámica hidráulica en el sector costero.
Se importaron las capas de las cuencas diseñadas en el software ArcGis (v 10.8) y se procedió a crear los componentes base para los análisis.
Componentes, calibración y validación del modelo hidrológico
Modelo de la cuenca
Se generó un modelo físico para cada una de las cuencas de drenaje (Figuras 3) que incluyó elementos como las conexiones y los parámetros de escorrentía, y se realizó un proceso de validación con el fin de ajustar los resultados lo más cercanos posible a la realidad (Cabrera et al., 2019). En el caso del río Petaquire-Mamo se crearon dos subcuencas, una denominada Petaquire y la otra quebrada La Yaguara. Se introdujeron datos relacionados con el área de las subcuencas, método de transformación lluvia-caudal, tiempo de concentración y coeficiente de almacenamiento. Para la quebrada La Zorra se creó una única subcuenca incorporándole los mismos requerimientos (Tabla 1).
Con relación al cálculo de las pérdidas y el flujo de base, esto fue descartado debido a que las abstracciones iníciales se presumen despreciables en una tormenta grande y de probabilidades consistentes, y por la complejidad para identificar el flujo de base en zonas montañosas y cabeceras de cuencas (Chow et al., 1994).
Datos de entrada para el modelo meteorológico
El modelo meteorológico fue el componente encargado de procesar aspectos como el área o extensión de la tormenta, su duración, y los intervalos de tiempo destinados a la supervisión del caudal generado por el evento. En tal sentido, se ingresaron los datos de intensidades y profundidades máximas de precipitación obtenidos a partir de las curvas de Intensidad Duración Frecuencia (IDF) y Profundidad Duración Frecuencia (PDF), y se modificaron de acuerdo con los periodos de retorno seleccionados (2, 25, 50 y 100 años).
Así mismo, se diseñaron tormentas de 6 horas y 24 horas, a intervalos de 5 y 15 minutos para cada una de las cuencas, considerando una extensión de 100 km2 para la tormenta del Petaquire Mamo, y de 10 km2 para la simulada en la quebrada La Zorra.
Especificaciones de control
Se definieron los parámetros necesarios para el análisis de lluvia-caudal con el HEC-HMS y se establecieron las horas de inicio, fin, y la fecha de las tormentas, garantizando la suficiente extensión temporal para que el caudal pudiera llegar a la desembocadura de los sistemas y retomar el flujo de base. Los intervalos de tiempo se definieron entre 5 y 15 minutos por ser valores suficientemente pequeños y adaptados a los tiempos de retardo.
Validación de los modelos
Con el fin de auditar los resultados obtenidos se validaron los modelos mediante una calibración semiautomática usando la herramienta Optimization trial del HEC-HMS. Se realizó el hietograma correspondiente y se ajustó el método de búsqueda, tolerancia, número máximo de interacciones y función objetivo que viene dada por la ecuación.
Donde (E) es el coeficiente adimensional, (Qsi) es el caudal calculado en el día, i (m3/s), (Qoi) es el caudal observado en el día, i (m3/s) y Ǭ 0 es el promedio de los caudales observados en los (n) días (m3/s).
Este coeficiente muestra el nivel de ajuste entre los caudales observados y simulados. Cuando E = 1 la simulación es perfecta, cuando E = 0 la simulación da como resultado valores semejantes al promedio de los caudales y cuando E < 0 indica que el promedio de los caudales es una mejor solución que la obtenida por el modelo (Cabrera et al., 2019).
Resultados y discusión
Prueba de datos dudosos
Los resultados obtenidos a partir de la aplicación de la prueba de datos dudosos permitieron identificar la presencia de inconsistencias en los registros de precipitación. La estación Carayaca con una longitud temporal de 21 años presentó inconsistencias a intervalos de 5, 10, 15 y 720 minutos, es decir, casos en los cuales existían datos que superaban los umbrales máximos o mínimos permitidos (Xh y Xl) y afectaban la representatividad de la serie (Chow et al., 1994).
En el caso de la estación Alto de Ño León, con una longitud de 31 años las anomalías se ubicaron en los intervalos de 180 y 1440 minutos, mientras que para la estación Mamo con 9 años de registros no se detectaron anomalías posiblemente por la corta longitud de la serie. Esta última estación fue seleccionada en consideración al planteamiento de Carrera et al. (2013) donde se destaca la importancia de usar registros de intensidades de precipitación, cercanos o de al menos 10 años continuos para la aplicación de la prueba. Las anomalías fueron eliminadas hasta alcanzar registros que cumplieran con los parámetros establecidos.
La Tabla 2 describe el procedimiento aplicado a las series de las tres estaciones climatológicas bajo estudio. El valor correspondiente al año 1988 es descartado por superar el máximo umbral permitido.
Ajustes a la distribución de Valores Extremos Tipo I (EVI) o de Gumbel y curvas IDF y PD
Los coeficientes de correlacion lineal de las distribuciones variaron entre 97% y 99% (Figura 4 a, b y c), demostrando ajustes a Gumbel similares a los obtenidos por Ramírez et al. (2006) que confirman la viabilidad de la metodología propuesta, tanto por su rapidez y facilidad de aplicación, como por su capacidad para ajustarse a distintos periodos de retorno de forma práctica y consistente (Ávila y Martín, 2013). En el caso de las curvas IDF y PDF (Figura 5a, b y c), se observó un ajuste a los periodos de retorno similar al obtenido por Martínez et al. (2020), pero se lograron mejores probabilidades para identificar las precipitaciones que afectan a las cuencas.
Modelaciones hidrológicas para tormentas de 6 horas
Los resultados obtenidos para una frecuencia de tormenta de 6 horas mostraron notables diferencias en la capacidad de respuesta de las cuencas estudiadas. En el caso del río Petaquire-Mamo para un periodo de retorno de 2 años se obtuvo un caudal máximo de 244,7 m3/s en la sección más elevada del sistema (Alto de Ño León), mientras que para la cuenca media (Carayaca) el hidrograma arrojó un flujo de 326,9 m3/s. Una calibración igual que las anteriores pero en la sección baja (Mamo) reveló un flujo de 281,8 m3/s.
Estos datos confirman la existencia de dos tipos de comportamientos hidrológicos en el periodo de retorno señalado (Figura 6): el primero, caracterizado por ganancias de hasta un 34% de caudal desde la sección más elevada hasta la sección media de la cuenca ubicada en el sector de Carayaca, y el segundo, definido por pérdidas de hasta 14% desde la sección media hasta el punto de aforo del sistema en el sector de Mamo.
Si se comparan estos datos con los resultados obtenidos por Rey y Zambrano (2017) que describieron variaciones entre 7% y 20% en los caudales pico de cuencas montañosas medianamente intervenidas, y en condiciones similares a la estudiada, es posible afirmar que las diferencias encontradas son aceptables.
Para la tormenta de 25 años los resultados cambiaron notablemente. Se observó un aumento progresivo del máximo caudal de 432,3 m3/s en la cuenca alta, hasta 567 m3/s en la cuenca media, conservando su tendencia hasta alcanzar los 589,5 m3/s en el sector de Mamo. Este comportamiento se repitió tanto para la tormenta de 50 años, donde se mantuvo la relación descrita pero con valores de 478,4 m3/s en Alto de Ño León, 626,4 m3/s en Carayaca y 665,7 m3/s en Mamo, como para la de 100 años, donde los gastos máximos siguieron la misma tendencia pero en función de la frecuencia utilizada (Figura 7a, b y c).
La Tabla 4 muestra los máximos caudales obtenidos con sus tránsitos hidrológicos y porcentajes de variabilidad para los distintos periodos de retorno. Es importante tener en cuenta que para escenarios de 25, 50 y 100 años existen ganancias de caudal de hasta 31% en sectores altos y medios de la cuenca, pero se reducen a 4% y 8% desde los sectores medios hacia la desembocadura del sistema.
Las diferencias descritas obedecen a factores como el relieve, pendientes, cobertura vegetal y litología, que son consideradas análogas a las descritas por Batista y Bustos (2018) para escenarios de deforestación y modificación de superficies, donde cualquier cambio de caudal por reducido que sea, merece especial atención por su capacidad para generar escenarios de peligro y modificar el entorno existente.
Con respecto a la quebrada La Zorra, los resultados obtenidos (Tabla 5 y Figura 8) demostraron que para una tormenta de 6 horas la cuenca responde con un único comportamiento. No obstante, el tiempo al pico (3:10 min) fue considerablemente extenso con relación al área del sistema (6,25 km2), lo que confirma el control que ejerce la litología sobre los picos de descarga, denotando una curva de agotamiento de más de seis horas, similar a la descrita por Rey y Zambrano (2017) para cuencas de alta montaña.
Modelaciones hidrológicas para tormentas de 24 horas
En la Tabla 6 se presentan los máximos caudales para una tormenta de 24 horas en la cuenca del río Petaquire-Mamo, cuya área total es de 142,8 Km2. Se observa que para un periodo de retorno de 2 años (Figura 9) hubo un aporte máximo de 4832 m3/s en la sección más elevada, mientras que para los sectores medios y bajos, el flujo fue de 6298,1 m3/s y 4846,2 m3/s respectivamente.
Como se puede notar, existe un aumento en los picos de descarga en comparación con la tormenta de 6 horas, pero se mantiene el doble comportamiento caracterizado por ganancias y pérdidas de caudal. Las primeras en torno al 30% desde las cabeceras hacia los sectores medios en Carayaca y las segundas sobre el 23% desde la sección media hasta la salida del sistema en Mamo. Esto indica que para un periodo de retorno de 2 años existe un incremento de 9% en la pérdida de caudal respecto al evento más corto (tormenta de 6 horas).
En cuanto a las tormentas de 25, 50 y 100 años de retorno (Figura 10a, b y c), se identificaron ganancias de caudal en cada uno de los puntos medidos en la cuenca, con incrementos de 25% y 26% desde las cabeceras hasta el sector de Carayaca, y valores más modestos de 2%, 7% y 15% desde los sectores medios hacia la desembocadura.
Esto indica que para tormentas de 6 horas y 24 horas la cuenca del río Petaquire-Mamo responde en forma análoga en sectores altos y medios, con importantes ganancias de caudal en cada uno de los periodos de retorno analizados (2, 25, 50 y 100 años), pero se incrementan las pérdidas de 14% a 23% en el sector bajo para una frecuencia de 2 años de retorno. Esta situación es razonable si se toman en cuenta los análisis de Arroyo et al. (2014) y Batista y Bustos (2018) que confirman lo expuesto como el resultado del cumplimiento del ciclo de vida de una tormenta, que pierde intensidad conforme pasan las horas, y por el control que ejerce la litología del área sobre las tasas y cantidad de caudal en la cuenca de mayor superficie y niveles de estiaje del estado La Guaira.
El tiempo al pico en todas las modelaciones se presentó 8 horas y 45 minutos después de iniciada la tormenta, normalizándose los volúmenes de agua pasadas las 21:00 horas. Estos valores confirman la existencia de un sistema con lentas respuestas hidrológicas que logran mantenerse por extensos periodos de tiempo cuando son superadas las pérdidas.
Para la quebrada La Zorra, la Tabla 7 y Figura 11 muestran los resultados obtenidos para una tormenta de 24 horas y periodos de retorno de 2, 25, 50 y 100 años. Al igual que en el caso del río Petaquire-Mamo, existe un incremento en el gasto de agua debido a la temporalidad de la tormenta, como resultado de condiciones de humedad preexistentes en los mantos de alteración o regolito, o sobresaturación hídrica que favorece la escorrentía superficial. Así se configura una curva de ascenso pronunciada con un tiempo al pico de 7 horas y 40 minutos, que escurre a la misma velocidad con que se acumula el agua dentro del sistema (Méndez et al., 2015).
Finalmente, los resultados obtenidos a través del módulo Optimization trial del HEC-HMS (Tabla 8) confirman que los modelos hidrológicos generados predicen apropiadamente la realidad de las cuencas, ya que a pesar de mostrar índices superiores a 1 según el coeficiente E, describen diferencias muy cercanas entre los estadísticos de los caudales observados y simulados. Una condición similar fue descrita por Cabrera et al. (2019), que ratifican la utilidad del método aplicado.
Similaridad geométrica de las cuencas e influencia en la zona costera
El río Petaquire-Mamo y la quebrada La Zorra son claros ejemplos de la similaridad geométrica de cuencas propuesta por Horton (1945) y modificada por Strahler (1968). La Tabla 9 muestra los resultados de algunas variables morfométricas que si bien denotan importantes diferencias en los cálculos del área, perímetro, altitud máxima y longitud de la corriente principal, también confirman similitudes en el coeficiente de compacidad, alargamiento de Caquot e índice de alargamiento, que reafirman el tipo de respuestas hidrológicas obtenidas.
Los caudales máximos y curvas de ascenso y agotamiento de las cuencas son influenciados en gran medida por la litología existente. En el caso del río Petaquire-Mamo aumentando las tasas y cantidad de caudal (cuenca alta y media) cuando predominan los esquistos del Complejo de San Julian, y las anfibolitas, todas de texturas impermeables; y ofrece una oportunidad para la infiltración y las pérdidas (cuenca baja) cuando prevalecen el Marmol de Antímano con predominio de rocas carbonáticas, máficas y esquisto,y la serpentinita, cuyas texturas son permeables (Méndez et al., 2015). Esta cuenca alcanza una velocidad promedio de flujo de 11,80 km/h.
La quebrada La Zorra, a pesar de ser favorecida en escorrentía superficial por los esquistos, cuyas texturas son impermeables, evidencia el importante control que ejerce la morfometría sobre las respuestas hidrológicas obtenidas, que reportan una velocidad promedio de flujo de 10,91 km/h.
La dinámica descrita afecta el sector costero caracterizado por favorecer la erosión y el transporte de materiales, ya que se trata de una costa de acantilados levantados con plataforma de erosión marina sobre esquistos verdes del Cretáceo. Las descargas del río Petaquire-Mamo y la quebrada La Zorra migran como un flujo hacia el oeste por influencia de la corriente litoral, generada por el tren de olas oblicuas que impulsan los vientos alisios del NE, hasta perderse en el cañón submarino donde cierra la celda litoral. En este borde litoral, Picard y Goddard (1975) reportaron la existencia de un arrecife con Lithothamnium desarrollada sobre roca de playa. La Lithothamnium es un alga roja calcárea de ambiente somero para captar la luz solar (Macsotay y Oliveros, 2007), por lo tanto sensible a las variaciones de las condiciones ambientales, como nivel medio del mar, temperatura, insolación, oleaje y sedimentación.
Conclusiones
Las cuencas de drenaje del río Petaquire-Mamo y la quebrada La Zorra son dos sistemas cuyas respuestas hidrológicas están determinadas, en gran medida, por aspectos como el clima, la litología y las características morfométricas existentes. Al mismo tiempo, la susceptibilidad de cada sistema ante eventos de magnitudes y periodos de retorno considerablemente distinta.
A pesar de las pérdidas descritas en la cuenca del río Petaquire-Mamo, existe un potencial riesgo de activación de procesos de remoción en masa en el sector bajo si se expone a tormentas de más de 24 horas, y tiempos de retorno superiores a 25 años, esto debido a las altas profundidades de lluvias que pueden presentarse.. La misma situación ocurre para la quebrada La Zorra, cuyas respuestas son rápidas por las texturas de las rocas y los suelos, además se pueden transportar con la misma facilidad para eventos de la misma duración e intervalos de recurrencia.
La litología es clave en el área de estudio porque regula la infiltración, los volúmenes de agua, y potencia o reduce según sea el caso, escenarios de crecientes e intensos procesos hidromorfodinámicos cuando se rompe la capacidad de abstracción de los suelos. El conocimiento de estos procesos resulta esencial para comprender la dinámica fluvio-torrencial de las cuencas, sobre todo por la densidad poblacional, la vulnerabilidad de las viviendas y la permanente amenaza de sedimentación de una zona costera con arrecifes de coral, frágiles y vulnerables a los cambios en las condiciones ambientales existentes.
Por lo tanto, se advierte sobre la conveniencia de los resultados obtenidos para fundamentar la creación de Sistemas de Alerta Temprana (SAT), que contribuyan a salvaguardar vidas ante posibles y futuros eventos de la misma naturaleza, así como reducir el impacto ambiental que supone alterar las condiciones naturales de los sistemas hídricos que drenan esta región de la costa central de Venezuela.