1.  INTRODUCCIÓN

1.1  Marco Institucional

El Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE) coordina el proyecto titulado "Evaluación del la disponibilidad y uso eficiente del agua en el desarrollo sustentable de la vitivinicultura en la región Noroeste de México." Este proyecto es llevado a cabo en conjunto con la UABC, INIFAP, e IMIP, con el apoyo del Fondo Institucional de Fomento Regional para el Desarrollo Científico, Tecnológico, y de Innovación (FORDECYT). La ejecución del estudio comprende una serie de componentes, a ser ejecutadas en dos regiones geográficas: (1) la cuenca del arroyo Guadalupe, en Baja California, y (2) la cuenca Asunción, en Caborca, Sonora. Dentro del marco de este estudio se han identificado varios componentes, los cuales incluyen los temas de agua superficial, agua subterránea, irrigación, arenas, y otros afines.¹

En el valle de Guadalupe se ha identificado el componente Arenas como una de las partes del estudio. El componente Arenas se refiere al estudio del arrastre y deposición de las arenas como producto de la avenidas, ligado a la extracción de las arenas (pétreos) en el lecho del arroyo, incluyendo el efecto o impacto que esta extracción pueda tener en el acuífero, en la infraestructura del puente y, por ende, en la sustentabilidad agrícola del valle. Desde hace muchos años, las arenas están siendo extraídas del lecho del Arroyo Guadalupe; sin embargo, desde 1999 la extracción se hace en forma masiva, primeramente con fines de exportación. La extracción, llevada a cabo por entidades particulares, está regida por concesiones otorgadas por la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), una entidad de la Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT).

El componente Arena tiene los siguientes objetivos:

1. Estimación del volumen de arrastre de arenas en zonas que se han concesionado para el aprovechamiento de arenas.

2. Identificación de los impactos al agua subterránea, en la disponibilidad del recurso arena y en la infraestructura de puentes por las actividades de extracción de arenas de los cauces.

3. Propuesta de medidas de aprovechamiento sustentable de las arenas para la conservación de las aguas subterráneas, la disponibilidad del recurso arena, y de la base de los puentes.

1.2  La extracción de arenas

Los ríos y arroyos de la costa de Baja California y Sonora, particularmente aquéllos localizados en la zona del estudio, acarrean arena y otros sólidos suspendidos a través dos modalidades: (1) sólidos suspendidos en el flujo del agua, y (2) sólidos transportados por arrastre sobre el lecho. Este proceso natural se origina en el esfuerzo cortante de fondo causado por la fricción predominante, debido a que el flujo no resbala sobre el lecho. Este esfuerzo cortante produce una variación de velocidades en el sentido vertical, es decir, en el sentido perpendicular al flujo.

El río o arroyo necesita cargar siempre una cierta cantidad de arena para mantenerse en equilibrio; por lo tanto, el transporte o flujo de arenas es permanente. La fuente o origen de las arenas es la desintegración y descomposición de los mantos rocosos localizados cerca a la cabeceras de las cuencas. La desintegración se debe a variaciones de temperatura ambiente o a ciclos alternos de congelamiento y decongelamiento. Otros procesos incluyen oxidación, solución por aguas pluviales, y bioturbación.² A este fenómeno en conjunto se le denomima intemperismo.

El recurso arenas es un recurso semirenovable; el arrastre y por lo tanto la oferta de arenas en el cauce es naturalmente permanente, en el mediano y largo plazos. Queda por determinar, mediante estudios de tránsito de sedimentos, la velocidad de recarga de los depósitos arenosos que yacen en los lechos fluviales y aluviales.

Desde el punto de vista socioeconómico, la extracción de arenas es más efectiva cuando el perfil longitudinal del lecho del arroyo presenta convexidades propias de una geología local en ascenso por tectonismo (uplift). Mientras que un perfil aluvial típico es cóncavo cuando es observado desde arriba, un perfil con afloramientos rocosos usualmente presenta convexidades en las proximidades del afloramiento. La extracción de arenas con fines de aprovechamiento puede hacerse en forma más efectiva inmediatamente aguas arriba del afloramiento, pues en este lugar se produce el remanso hidráulico que lleva a la acumulación de una mayor cantidad de arenas. Efectivamente, este lugar puede ser considerado como un reservorio de sólidos.

El Arroyo El Barbón-Guadalupe, objetivo de este estudio, presenta características de afloramientos rocosos que lo hacen apropiado para aprovechamiento. Una parte de este estudio enfoca el tema de cómo debe hacerse el aprovechamiento para minimizar el impacto que éste pueda tener sobre los recursos hídricos, económicos, y ambientales de la región.

1.3  Localización geográfica

El Arroyo El Barbón-Guadalupe drena la cuenca hidrográfica del mismo nombre en el estado de Baja California. La cuenca El Barbón-Guadalupe es una de veintiocho (28) cuencas importantes que drenan al Oceáno Pacífico en Baja California. La cabecera de la cuenca tiene su lugar geométrico en los picos de la Sierra Juárez, a una altitud máxima de 1718 m, en la vecindades de la Laguna Hanson. La boca de la cuenca está en la localidad de La Misión, en la costa de Baja California, aproximadamente a la mitad del camino de Tijuana a Ensenada.

El arroyo se denomina El Barbón desde su nacimiento en la Sierra Juárez hasta su paso por el Cañón Hondo (Fig. 2), aguas abajo del valle de Real Del Castillo, comúnmente referido como el valle de Ojos Negros. Aguas abajo del Cañón Hondo, a la altura del lugar denominado Agua Caliente (Fig. 3),³ el arroyo toma el nombre de Arroyo Guadalupe, discurriendo por el valle del mismo nombre una distancia aproximada de 70 km hasta su desembocadura al Oceáno Pacífico. Localmente se denomina valle de Calafia a la mitad superior del valle de Guadalupe.

Fig. 2  Cabecera del Arroyo Guadalupe, aguas abajo del Cañón Hondo.

Cabe mencionar que el perfil longitudinal del Arroyo El Barbón-Guadalupe muestra convexidades típicas de una geología local con un marcado tectonismo ascendente. Los ascensos más pronunciados están localizados en las vecindades del Cañón El Barbón, el Cañón Hondo, y los Cañones Santa Rosa I y II (Fig. 3). A la escala de cuenca, el Cañón Hondo produce los depósitos aluviales del valle de Real del Castillo Viejo, en tanto que los Cañones Santa Rosa I y II (Figs. 4 y 5) producen los depósitos aluviales del valle de Guadalupe.

Fig. 3  Perfil longitudinal del Arroyo El Barbón-Guadalupe.

Fig. 4  Cañon Santa Rosa I visto desde aguas arriba.

Fig. 5  Cañon Santa Rosa II visto desde aguas arriba.

1.4  Estudios previos

Desde el año 2001, los autores principales de este reporte han trabajado el tema de las arenas en el valle de Ojos Negros, el cual está contenido en el sistema hidrográfico El Barbón-Guadalupe. El estudio forma parte del proyecto titulado "Tres problemas de desarrollo sustentable en el valle de Ojos Negros, Baja California, México," apoyado por el Consorcio de Investigación y Política Ambiental del Sudoeste (CIPAS), con sede en San Diego, California. El reporte final del tema "Arenas" está disponible en tresproblemas.sdsu.edu. El estudio referido trata los siguientes temas: (1) impactos ambientales, (2) manejo sustentable, (3) pautas generales para regulación, y (4) estrategias de desarrollo.

2.  METODOLOGÍA

2.1  Mecanismos de sedimentación de arenas

Todos los ríos y arroyos acarrean arenas y otros sólidos suspendidos, desde su origen en las cabeceras de las cuencas hasta su destino final en el océano. Sin embargo, no todos los sólidos transportados llegan eventualmente al océano. Una parte de los sólidos se deposita en los valles, permaneciendo en ellos en varios tamaños, en varios lugares, y por gran tiempo.

Los ríos y arroyos tienen la particularidad natural de que son dueños de su propia geometría, tanto en el perfil longitudinal como en las secciones transversales. El perfil longitudinal de un río o arroyo puede ser de dos tipos:

1. Aluvial, el cual es totalmente cóncavo cuando es observado desde arriba,

2. Geológicamente controlado, es cual se presenta convexo en zonas locales dominadas por tectonismo ascendente.

En un perfil alluvial típico, existe una correspondencia directa entre la pendiente local predominante y el tamaño de los sólidos del material de fondo; a mayor pendiente, mayor tamaño; y a menor pendiente, menor tamaño. Esta condición natural hace que los sólidos suspendidos tiendan a sedimentarse en su recorrido hacia aguas abajo, produciendo a lo largo del tiempo geológico la geomorfología primordialmente plana que caracteriza los valles aluviales.

El perfil geológicamente controlado presenta afloramientos rocosos en las vecindades de la convexidad. En algunos casos la roca aflora a la superficie o está cerca de ella. En estos lugares la pendiente local predominante tiende a disminuir, exacerbándose la tendencia natural a la sedimentación. De esta manera, una mayor cantidad de sólidos suspendidos se deposita en los lechos fluviales.

Los ríos y arroyos de perfil geológicamente controlado acumulan en ciertas zonas una mayor cantidad de sedimentos que los perfiles estrictamente aluviales. Esto se debe a que la disminución de la pendiente local predominante produce un remanso, con la consiguiente desaceleración del flujo, disminución de velocidad e incremento de la profundidad. Estos cambios hidráulicos reducen la capacidad local de transporte de sedimentos y traen consigo la deposición de sólidos suspendidos.

El perfil longitudinal del arroyo Guadalupe es del tipo geológicamente controlado. Por lo tanto, el arroyo está sujeto a un proceso natural de sedimentación de arenas, las cuales se acumulan en los lechos fluviales y, durante avenidas extraordinarias, en las zonas de inundación adyacentes.

2.2  Tránsito de sedimentos

Mientras que el transporte de sedimentos occurre bajo flujo permanente, el tránsito de sedimentos ocurre bajo flujo no permanente. Dado un tramo de río o arroyo, considerado como volumen de control, la ecuación de continuidad del sedimento, o ecuación de Exner, gobierna el tránsito de sedimentos en el tramo en estudio. La ecuación de Exner es la siguiente (ASCE 1975; Ponce 1979):

en la cual Q_s = caudal sólido, en toneladas por día; x = distancia a lo largo del tramo; p = porosidad del lecho; γ_s = peso unitario de los sólidos, en toneladas por metro cúbico; b = ancho medio del tramo, en metros; z = elevación del lecho, en metros; y t = tiempo transcurrido, en días. Esta ecuación establece que la gradiente del caudal sólido es balanceada por una correspondiente velocidad de deposición/erosión del lecho. Por lo tanto, si el caudal sólido aguas arriba es mayor que el caudal sólido aguas abajo, la diferencia se deposita en el lecho a la velocidad indicada. Asimismo, si el caudal sólido aguas arriba es menor que el caudal sólido aguas abajo, la diferencia causa una erosión en el lecho a la velocidad indicada.

2.3  Cálculo del caudal sólido

El cálculo del caudal sólido se lleva a cabo con el método de Colby, el cual es un método práctico aplicable a un lecho arenoso como el del arroyo Guadalupe (Colby 1964a; Colby 1964b; Ponce 1989). El método de Colby relaciona el caudal sólido de arenas Q_s con la velocidad media (v) y profundidad media (d), con correcciones basadas en el diámetro medio de las partículas (d₅₀), la temperatura del agua (T), y la carga de lavado (C_w) (Ponce, 2012a).

El fundamento teórico del método de Colby es el método de Einstein Modificado, el cual calcula, por fracciones de tamaño, todo el caudal sólido, incluyendo (a) el material de lecho, (b) el material suspendido, y (c) la carga de lavado (Colby y Hembree 1955; Ponce 2011). Adicionalmente, el método de Einstein Modificado requiere una medición del material suspendido, y usa esta medición para estimar el caudal sólido no medido, es decir, aquél que fluye tan cercano al lecho que no puede ser muestreado con equipos existentes (Ponce 1989). Cabe reiterar que el método de Einstein Modificado es el único método capaz de calcular el caudal sólido total.

El método de Einstein Modificado es la continuación de la obra pionera del Prof. Hans Einstein, el cual en 1950 publicó su función de material del lecho (bedload function) para el cálculo del caudal sólido en ríos y arroyos (Einstein 1950). Por lo tanto, el método de Einstein constituye la base teórica tanto del método de Einstein Modificado como del método de Colby.

2.4  Criterios de modelación

El río o arroyo se divide en una cantidad apropiada de tramos con fines de modelación. Cada tramo i, o volumen de control, es definido en términos de su longitud Δx_i y ancho medio b_i. Las características hidráulicas y sedimentológicas de los tramos se miden o calculan siguiendo prácticas establecidas. Los datos hidrológicos, tales con caudales líquidos y temperatura se obtienen de los registros de la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA). En esta aplicación se utilizan los registros disponibles de la estación climatológica e hidrométrica Agua Caliente, localizada inmediatamente aguas arriba de la zona del estudio (Fig. 6).³

Fig. 6  Estación climatológica Agua Caliente, de CONAGUA.

El caudal sólido aguas arriba y aguas abajo del volumen de control se calcula con el método de Colby. El tránsito de arenas se efectúa aplicando la ecuación de continuidad del sedimento (Ecuación 1) a un volumen de control dado. Los resultados se expresan como el cambio en la elevación del lecho del arroyo, dadas las condiciones hidrológicas (caudal líquido), hidráulicas (pendiente, velocidad, y profundidad), y sedimentológicas (diámetro medio de las partículas, peso específico, porosidad del lecho, y temperatura del agua).

2.5  Impactos de la extracción de arenas

La extracción de arenas de los cauces puede tener impactos en la conservación del agua subterránea, en la disponibilidad y sustentabilidad a mediano y largo plazo del recurso arena, y en la infrastructura de los puentes vecinos.

La metodología consiste en evaluar el registro histórico de la profundidad de la napa freática en las zonas vecinas a los aprovechamientos, y determinar el efecto que éstos puedan tener en la integridad y conservación de los mantos acuíferos subyacentes. Asimismo, se determinarán los volúmenes de arena que puedan ser extraídos en forma sustentable en un horizonte de tiempo dado, tomando en cuenta criterios razonables de equidad generacional. Por último, se evaluarán los impactos de la estrategia actual de manejo sobre la infraestructura y estabilidad del "Puente Guadalupe" sobre el Arroyo Guadalupe en Francisco Zarco (Fig. 7).⁴

Fig. 7  Puente Guadalupe sobre el arroyo Guadalupe (foto tomada el 31 de octubre del 2011).

El actual Puente Guadalupe (Fig. 7) es el segundo puente construído en ese sitio. La avenida de 1978, que alcanzó 11,375 m³/s, destruyó en su totalidad el puente anterior, tuviendo que ser reconstruído poco tiempo después. La Figura 7 muestra que la extracción de arenas del lecho del arroyo Guadalupe ha dejado al descubierto una porción considerable del pilar central del puente, comprometiendo su estabilidad.

3.  COLECTA DE DATOS

3.1  Datos hidrológicos

Los datos hidrológicos (series de caudales y temperatura) provienen de la estación climatólogica e hidrométrica Agua Caliente, localizada en la boca del Cañón Hondo, a la entrada del valle de Guadalupe.³ El registro de caudales existente corresponde a los años 1957 (desde el 1^o de enero) a 1992 (hasta el 18 de noviembre), con un total de 13,106 datos diarios, o un poco menos de 36 años. El caudal máximo del registro es:  Q_max = 14,914.8 m³/s (3 de marzo de 1983). El caudal mínimo del registro es:  Q_min = 0. La serie de caudales (diarios) en la Estación Agua Caliente se muestra en la Fig. 8.

Fig. 8  Serie de caudales en la Estación Agua Caliente (1956-1992).

En cuanto a los datos de temperatura, se consideran los registros de las dos estaciones más cercanas a la zona del proyecto:  Agua Caliente (No. 64) y Olivares Mexicanos (No. 26). Los datos se muestran en el Cuadro 1. La temperatura media ponderada adoptada para este estudio es:  T = 17.2 ^oC.

3.2  Discretización

El arroyo Guadalupe se dividió en 23 tramos (24 secciones). Las secciones son numeradas desde aguas arriba, sección 0, progresiva 0+000, en Agua Caliente, hasta aguas abajo, sección 23, progresiva 46+340, cerca al Cañón Santa Rosa II. [Por ejemplo, el tramo 1 está entre comprendido las secciones 0 y 1; el tramo 5, entre las secciones 4 y 5]. El Apéndice 1 contiene un album con las imágenes aéreas de los tramos.

Desde el punto de vista del aprovechamiento de arenas, el arroyo Guadalupe comprende dos zonas bien definidas:

• Zona A, desde Agua Caliente, sección 0, progresiva 0+000, hasta el Puente Caído, sección 13, progresiva 24+600, comprendiendo los tramos 1 a 13 (Fig. 9). En esta zona, la CONAGUA ha otorgado concesiones para la extracción de arenas en el pasado.

• Zona B, desde el Puente Caído, sección 13, progresiva 24+600, hasta el Cañón Santa Rosa II, sección 22, progresiva 24+600, comprendiendo los tramos 14 a 23. En esta zona no se han otorgado concesiones.

Fig. 9  Puente Caído, en la intersección del Arroyo Guadalupe con la carretera Francisco Zarco-El Tigre.

El Puente Caído, localizado en la intersección del arroyo Guadalupe con la carretera Francisco Zarco-El Tigre, falló el año 1978 durante una avenida extraordinaria. En ese entonces la superestructura de madera fue completamente removida por la corriente. Desde esa fecha, los estribos del puente han quedado abandonados, como se muestra en la Fig. 9. Actualmente, el cruce del arroyo Guadalupe en este lugar se efectúa a través de un vado de grandes dimensiones (Fig. 10).

Fig. 10  Vado de grandes dimensiones en la intersección del Arroyo Guadalupe con la carretera Francisco Zarco-El Tigre.

Este estudio se enfoca en la Zona A, en la cual la extracción de arenas se ha efectuado desde 1999. Las concesiones de CONAGUA se muestran en el Cuadro 2. Nótese que las concesiones se han otorgado en los tramos 2 al 9, donde el arroyo es particularmente ancho (Apéndice 1).

3.3  Celeridad de la onda del lecho

El primer paso de la modelación del tránsito de arenas es determinar un valor aproximado de la longitud promedio del tramo de cálculo. La longitud en estudio comprende desde Agua Caliente, a la cota E₁ = 400 m, hasta el Puente Caído, a la cota E₂ = 304 m, con una distancia a lo largo del eje del arroyo de L = 24,600 m. Por lo tanto, la pendiente media del lecho en el tramo de modelación es: S = (400 - 304)/ 24,600 = 0.0039.

El ancho medio del lecho del arroyo en la Zona 1 se estima en b = 60 m. El número de Manning promedio se estima en n = 0.040. Para avenidas extraordinarias, de Q ≥ 500 m³/s, con una persistencia del 2% (Fig. 11), y asumiendo un canal rectangular (z = 0), la velocidad normal de flujo se calcula en v_n ≥ 2.94 m/s, y el correspondiente número de Froude es:  F = 0.56. (Ponce 2012). Para esta velocidad y número de Froude, la celeridad de la onda del lecho se estima en c_s = 0.023 m/s (Ponce 1982).

Fig. 11  Curva de duración de caudales.

3.4  Muestreo de sedimentos

Las jornadas de campo para inspección y muestreo se realizaron entre los meses de octubre 2011 a febrero 2012. En tres (3) jornadas se tomaron veintisiete (27) muestras de arena del lecho del arroyo Guadalupe, comprendiendo desde Agua Caliente hasta Santa Rosa II (Fig. 12). Dieciocho (18) de esta muestras fueron sometidas a análisis granulométrico por tamizado.⁵ Los resultados de doce (12) de estos ensayos se muestran en el Apéndice 2.

Fig. 12  Muestreo de arenas en el arroyo Guadalupe [120204].

3.5  Características hidráulicas y sedimentológicas

Las características hidráulicas y sedimentológicas incluyen elevación, pendiente, ancho, número de Manning, y diámetro medio de las partículas. Estos datos se resumen en el Apéndice 3.

El análisis de las características hidráulicas y sedimentológicas permite resumir lo siguiente:

• La longitud total del tramo de estudio es L = 24,600 m (Columna 2).

• La elevación varía entre 400 m en la progresiva 0+000 hasta 304 m en la progresiva 24+600 (Columna 5).

• La pendiente del lecho varía entre un valor máximo de S = 0.0137 en el tramo 1 y un valor mínimo de S = 0.0006 en el tramo 11 (Columna 7) (Fig. 12).

• El ancho varía entre un valor máximo de b = 134 en la sección 7 y un valor mínimo de b = 20 en la sección 11 (Columna 8).

• El número de Manning varía entre un valor mínimo de n = 0.025 en la sección 10 y un valor máximo de n = 0.075 en la sección 11 (Columna 9).

• El diámetro medio de las partículas varía entre un valor máximo de d₅₀ = 1.10 mm en la sección 1 y un valor mínimo de d₅₀ = 0.38 en la sección 10 (Columna 10).

La Figura 13 muestra el perfil longitudinal del tramo de Agua Caliente a Puente Caído. Este perfil revela convexidades propias de un perfil geológicamente controlado. En cada uno de los trece (13) tramos de cálculo, la gradiente del caudal sólido determinará las condiciones de erosión y sedimentación locales.

Fig. 13  Perfil longitudinal de Agua Caliente a Puente Caído.

La longitud total de los trece (13) tramos de la Zona A es: L = 24,600 m. Por lo tanto, la longitud promedio de los tramos es:  Δx = (24,600 / 13) = 1,892 m. El registro de caudales en la estación hidrométrica Agua Caliente es diario; por lo tanto, el intervalo de tiempo apropiado para modelación es:  Δt = 1 día = 86,400 segundos.

El número de Courant promedio es:  C = c_s (Δt / Δx) = 0.023 × (86,400 / 1,892) = 1.05, lo cual asegura la convergencia del modelo numérico (Ponce et al. 1979).

NOTAS

[Bibliografía]   •   [Introducción]   [Metodología]   [Colecta de Datos]   [Modelación]   [Impactos]   [Regulación]   [Conclusiones]   [Recomendaciones]

¹ El proyecto en referencia consiste de cuatro (4) grupos de estudios: (1) uso y recarga de agua en las cuencas (RECARGA); (2) evaluación del papel de la vegetación en la captura, gasto, y flujo del agua (FLUJO); (3) impacto de la extracción de arenas en la disponibilidad de agua en los valles (ARENA); y (4) uso y reuso del agua con fines de riego (TÉCNICO).
² Bioturbación es la biodegradación de un componente o substrato carbonático (sedimento o roca) por efecto de la actividad orgánica (flora y fauna locales).
³ En el lugar denominado Agua Caliente se ubica la estación climatológica e hidrográfica de la Comisión Nacional del Agua. Las coordenadas geográficas de la estación climatológica son 32^o 06' 44" N y 116^o 27' 50" W; la altitud es 378.6 m.
⁴ El Puente Guadalupe está ubicado sobre el arroyo Guadalupe, en el km 77+300 del tramo Tecate-Ensenada de la Carretera Federal No. 3.
⁵ Los ensayos de laboratorio fueron realizados en el Laboratorio de Ingeniería de Sedimentos de la Universidad Estatal de San Diego, California (SDSU).

BIBLIOGRAFÍA

•   [Introducción]   [Metodología]   [Colecta de Datos]   [Modelación]   [Impactos]   [Regulación]   [Conclusiones]   [Recomendaciones]   [Notas]

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Ponce, V. M. (2012b). Tirante normal en un canal prismático. Calculador en línea.

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Acerca de los autores El Grupo de Investigación Arenas Valle de Guadalupe está conformado por el Dr. Víctor Miguel Ponce, profesor de ingeniería civil y ambiental de la Universidad Estatal de San Diego, California; el Ing. Maestro en Ciencias Walter Zúniga Castillo, Jefe del Departamento de Planeación Regional del Instituto Municipal de Investigación y Planeación de Ensenada; el Ing. Henry Alberto Castro García, Maestro en Arquitectura y Consultor en Hidrología y Urbanismo; y el Ing. Aleksandr Gostomelskiy, alumno de la maestría en ingeniería civil en la Universidad Estatal de San Diego.

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