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 Universidad Autónoma de Baja California (UABC), el Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas, y Pecuarias (INIFAP), y el Instituto Municipal de Planeación de Ensenada (IMIP).

El proyecto cuenta 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.

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 Arenas 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 descongelamiento.

Otros procesos incluyen oxidación, solución por aguas pluviales, y bioturbación.

A este fenómeno en conjunto se le denomina 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.

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.

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 1800 m, en la vecindades de Valle Redondo.

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, este último comúnmente referido como el valle de Ojos Negros.

Aguas abajo del Cañón Hondo, a la altura del lugar denominado Agua Caliente (Fig. 2), 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 como 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 (Fig. 6) e hidrométrica (Fig. 7) Agua Caliente, localizada inmediatamente aguas arriba de la zona del estudio (Fig. 6).³

Fig. 6  Estación climatológica Agua Caliente (No. 64).

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).

Fig. 7  Estación hidrométrica Agua Caliente (descontinuada en 1992).

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 de la arena a mediano y largo plazo, 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. 8).

Fig. 8  Puente Guadalupe sobre el arroyo Guadalupe (foto tomada el 31 de octubre de 2011).

El actual Puente Guadalupe 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 extracción de arenas del lecho del arroyo Guadalupe ha dejado al descubierto una porción considerable del pilar central del puente, comprometiendo su estabilidad (Fig. 8).

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. 9.

Fig. 9  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 °C.

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 sin Superestructura (Fig. 10), sección 13, progresiva 24+600, comprendiendo los tramos 1 a 13.

  En esta zona, la CONAGUA ha otorgado las concesiones para la extracción de arenas en el pasado.

• Zona B, desde el Puente sin Superestructura, 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. 10  Puente sin Superestructura, en la intersección del Arroyo Guadalupe con la carretera Francisco Zarco-El Porvenir-El Tigre.

El Puente sin Superestructura, localizado en la intersección del arroyo Guadalupe con la carretera Francisco Zarco-El Porvenir-El Tigre, fue inutilizado el año 1978 después una avenida extraordinaria.

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. 11).

Fig. 11  Vado de grandes dimensiones en la intersección del Arroyo Guadalupe con la carretera Francisco Zarco-El Porvenir-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 1-2 al 9-10, 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 sin Superestructura, 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. 12), 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. 12  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 veintinueve (29) muestras de arena del lecho del arroyo Guadalupe, comprendiendo desde Agua Caliente hasta Santa Rosa II (Fig. 13).

Veinte (20) de estas muestras fueron sometidas a análisis granulométrico por tamizado. Los resultados de trece (13) de estos ensayos se muestran en el Apéndice 2.

Fig. 13  Muestreo de arenas en el arroyo Guadalupe.

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 = 0.0005 en el tramo 7 (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 14 muestra el perfil longitudinal de Agua Caliente a Puente sin Superestructura.

Este perfil revela convexidades propias de un perfil geológicamente controlado.

Esto indica que, en cada tramo, la gradiente del caudal sólido determinará las condiciones de erosión y sedimentación locales.

Fig. 14  Perfil longitudinal de Agua Caliente a Puente sin Superestructura.

La Figura 15 muestra la relación entre la pendiente hidráulica y el diámetro medio de las partículas del material del lecho.

Nótese que a mayor pendiente (en el rango 0.0005 ≤ S ≤ 0.0137), la tendencia es que el diámetro medio sea mayor (en el rango 0.38 ≤ d₅₀ ≤ 1.10 mm).

Este comportamiento se debe a las variaciones marcadas en la pendiente local debido al tectonismo prevaleciente (Fig. 14).

Fig. 15  Relación pendiente-diámetro medio de las partículas.

La longitud total de los trece (13) tramos 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).

4.  MODELACIÓN

4.1  Desarrollo del modelo

El caudal líquido utilizado es la serie de caudales de Agua Caliente (Fig. 8).

El cálculo comprende trece (13) tramos y la series de caudales diarios de 36 años (13,106 intervalos de tiempo), es decir: (13 × 13,106) = 170,378 celdas.

Para propósitos de cálculo, se desarrolló un programa FORTRAN.

Dado el caudal líquido y las características hidráulicas y sedimentológicas de cada tramo (Apéndice 3), el algoritmo de cálculo es el siguiente:

1. Cálculo de la profundidad y velocidad normales utilizando procedimientos usuales de la hidráulica de canales abiertos (Ponce 2012b).

2. Cálculo del caudal sólido, aguas arriba y aguas abajo de cada tramo (Ponce 2012a).

3. Cálculo de la erosión o deposición de sedimentos, por tramo.

4. Cálculo del volumen acumulado, erosionado o depositado, por tramo.

5. Cálculo del volumen neto, depositado por la series de caudales utilizada.

4.2  Resultados

Los resultados de la modelación del tránsito de arenas se muestran en el Cuadro 3.

El volumen neto depositado acumulado es:  V_35.9 = 18,572,062 m³, lo que corresponde a los 35.9 años de la serie de caudales utilizada.

El volumen estimado de deposición correspondiente a un horizonte de planeación de 25 años es:  V₂₅ = 12,933,190 m³.

El volumen adoptado, que incluye un factor de seguridad de 2 (véase la Sección 4.3) es:   V = 6,466,595 m³.

Cuadro 3.  Volúmenes acumulados
Tramo No.	Volumen (m3)
1-2	+ 9,532,876
2-3	+ 5,753,984
3-4	+ 6,474,684
4-5	- 33,159,414
5-6	- 3,089,243
6-7	+ 38,061,716
7-8	- 19,950,112
8-9	- 5,705,418
9-10	+ 24,790,904
10-11	+ 10,810,138
11-12	- 11,265,695
12-13	- 3,682,358
Volumen neto	+ 18,572,062

Los resultados del Cuadro 3 confirman que los tramos de mayor volumen de deposición son los tramos 1-2, 3-4, 6-7, 9-10, y 10-11.

Estos resultados corresponden a las convexidades del perfil longitudinal detallado, como se muestra en la Fig. 13.

El tramo 6-7 (Fig. 16) es el más ancho (promedio B = 124 m) y el de menor pendiente (S = 0.0005); por lo tanto, en este tramo la deposición de arenas es la mayor de todos los tramos.

Fig. 16  Tramo 6-7 (Google Earth®).

4.3  Limitaciones

La modelación del tránsito de arenas está sujeta a ciertas limitaciones, entre las cuales cabe mencionar las siguientes:

1. El incremento del caudal líquido por efecto de las contribuciones laterales aguas abajo de Agua Caliente no se han considerado.

2. El decremento del caudal líquido por efecto de la atenuación natural de las ondas de avenida no se ha considerado (Ponce y Simons 1977).

3. La pérdida de volumen del hidrograma debida a la infiltración durante el paso de la avenida no se ha considerado (Ponce et al. 1985). El valor de la velocidad de infiltración es función de los siguientes factores:  (a) el tamaño de las partículas, y (b) la carga hidráulica local.

4. No hay certeza absoluta de que la serie de caudales utilizada, es decir, la serie histórica de 35.9 años en Agua Caliente, se repita en el futuro con características similares, particularmente bajo condiciones de cambio climático global.

5. El cálculo es unidimensional; por lo tanto, no toma en cuenta los procesos sedimentarios en la llanura de inundación, los cuales pueden tomar importancia en algunas avenidas extraordinarias.

6. El cálculo del caudal sólido (método de Colby) es estrictamente aplicable al flujo permanente; su aplicación al flujo transitorio se hace solamente por extensión (Ponce, 1989).

Nótese que el efecto de las contribuciones laterales tiende a compensarse con el decremento del caudal líquido por efecto de la atenuación y la pérdida de volumen por infiltración.

Sin embargo, persiste la incertidumbre respecto a: (a) la repetibilidad de la series de caudales, (b) los procesos sedimentarios en la llanura de inundación, y (c) la aplicabilidad del método de cálculo al flujo transitorio.

Esta incertidumbre obliga a considerar un factor de seguridad igual a 2 en el volumen acumulado, para su uso en planeación regional (Véase la Sección 4.2).

5.  IMPACTOS

5.1  Impactos en el agua subterránea

El impacto de la explotación de arenas del cauce o lecho del arroyo, en el agua subterránea, depende de la elevación del nivel freático en las vecindades del arroyo.

El arroyo Guadalupe es efímero; sólo fluye cuando llueve en su cuenca colectora en cantidad suficiente.

Esto indica que el nivel freático está típicamente por debajo del nivel del lecho, a unos cuantos metros de profundidad.

Para propósitos de este estudio, es necesario determinar a qué profundidad se encuentra el nivel freático.

Si la profundidad del nivel freático se encuentra a más de 3 m del lecho, es muy probable que una extracción razonable y limitada no afecte a los recursos hídricos.

Por el contrario, si el nivel freático se encuentra casi superficial, o en todo caso, a menos de 3 m de profundidad, la extracción intensa de arenas puede afectar la cantidad de agua mediante evaporación.

La altura capilar en suelos varía con el tamaño de las partículas. El Cuadro 4 muestra la altura capilar en varios tipos de suelos, incluyendo las arenas del Arroyo Guadalupe. En base a los valores mostrados en este cuadro, la reservación de una distancia de 3 m desde la superficie del terreno hasta el nivel freático se considera apropiada para propósitos prácticos.

Para propósitos de análisis y monitoreo del agua subterránea, el valle de Guadalupe se ha dividido en dos fosas hidrogeológicamente distintas: (1) Fosa Calafia, y (2) Fosa El Porvenir (Fig. 17).

El límite entre estas dos fosas es el angostamiento natural del valle a la altura de la progresiva 11+400 (Apéndice 1), es decir, el tramo 6-7 (entre las secciones 6 y 7) (Fig. 16).

Cabe mencionar que este tramo es el más ancho, el de menor pendiente, y donde se produce la mayor cantidad de deposición de arenas (Cuadro 3).

Fig. 17  Fosas Calafia y El Porvenir [Haga click en cada imagen para desplegar].

En el valle de Guadalupe existen 790 unidades de riego de origen subterráneo y 37 de origen superficial, con un total de 1,422 aprovechamientos, es decir, 1,374 subterráneos y 48 superficiales (Fig. 18).

Se han concesionado un total de 959 aprovechamientos subterráneos, los cuales representan alrededor de 36 hectómetros cúbicos (MMC) por año (COTAS 2012).

Fig. 18  Localización de los aprovechamientos en el valle de Guadalupe (COTAS 2012).

El COTAS del valle de Guadalupe mantiene una red de 59 pozos de monitoreo del agua subterránea.

Quince (15) de estos pozos de monitoreo se encuentran ubicados cerca del arroyo, a distancias menores de 152 m (Apéndice 4); tres (3) pozos se encuentran ubicados en la Fosa El Porvenir y doce (12) en la Fosa Calafia.

La profundidad del agua en los pozos de monitoreo se ha medido dos veces al año desde el año 2008.

Los resultados de estas mediciones (en los pozos de monitoreo cercanos al arroyo) se muestran en el Apéndice 5.

El abatimiento de la napa freática debido a la explotación del agua subterránea es mayor en la Fosa Calafia que en la Fosa El Porvenir (Apéndice 6).

Mientras que los abatimientos máximos en El Porvenir son de 20 m, en Calafia pueden llegar hasta los 49 m.

Puede observarse que en dos de los pozos de El Porvenir (pozos 5 y 13), la profundidad varía entre los 2 y 5, mientras que en el tercero (pozo 25) la profundidad varía entre los 8 y 12 m.

Por otro lado, la profundidad máxima del agua subterránea en los pozos de Calafia (cercanos al arroyo) se ha registrado en 48 m (Pozo 48, noviembre del 2009).

Los datos del nivel de agua subterránea existentes permiten concluir que es muy probable que el nivel freático en el valle de Guadalupe, particularmente en la Fosa Calafia, se mantenga muy por debajo de los 3 m en el futuro previsible.

Esto se debe a las concesiones vigentes, las cuales suman un total de 36 MMC al año.

Dados los aprovechamientos existentes, y el historial de bombeo y uso reciente del agua subterránea, no se prevée que los niveles sean menores de los 3 m en el futuro inmediato y mediato.

Por lo tanto, se concluye que el aprovechamiento de agua subterránea contribuye a minimizar la pérdida de agua por evaporación; esto permite que la extracción de arena del cauce no afecte en forma apreciable la disponibilidad de agua para usos agrícolas o urbanos.

5.2  Impactos en la disponibilidad del recurso

El recurso arena en los lechos aluviales efímeros de los arroyos de la costa de Baja California es considerado semirenovable.

Esto se debe a que la arena es producida constantemente por el intemperismo y el ciclo natural de erosión.

La arena así producida discurre eventualmente por los arroyos hacia su destino final en el océano o, en caso de avenidas extraordinarias, hacia su depósito en las llanuras aluviales en el tiempo geológico (miles de años).

El aprovechamiento de arenas con fines económicos debe tomar en cuenta los lugares de deposición predominante y las velocidades calculadas de deposición de arenas.

La extracción de arenas para exportación debe limitarse a la cantidad de arena que pueda producirse en un horizonte de planeación dado.

En este caso, se considera 25 años, lo que equivale a una generación. En la práctica, el valor de 50 años será el doble del valor indicado para 25 años.

En el caso del cauce del arroyo Guadalupe, se estima que es posible explotar 6,466,595 m³ de arena en 25 años, o cada 25 años.

Este valor toma en cuenta un factor de seguridad de 2, dadas las incertidumbres normales que se presentan en la modelación de este tipo de procesos naturales (Sección 4.3).

5.3  Impactos en la infraestructura de puentes

Los procesos erosivos que comprometen la estabilidad de un puente son de dos tipos: (1) erosión local, y (2) erosión general.

La erosión local, también llamada socavación, es fundamentalmente tridimensional.

La dimensión longitudinal del proceso de socavación es usualmente del orden de la longitud de los pilares del puente.

La erosión local se produce cuando el aumento de caudal durante avenidas extraordinarias trae consigo un aumento de velocidad del flujo en las proximidades de los pilares del puente, produciendo socavación y, por lo tanto, comprometiendo eventualmente la estabilidad de la superestructura.

Contrariamente a la erosión local, la erosión general es básicamente un proceso unidimensional que se produce a distancias comparablemente mucho mayores que las dimensiones físicas del puente.

En el arroyo Guadalupe sólo existe el Puente Guadalupe sobre la Carretera Federal No. 3, en el tramo Tecate-Ensenada.

Este puente puede estar sometido a erosión local y general.

La erosión local se produce debido a las altas velocidades que prevalecen durante las avenidas, asociadas con el estrechamiento de la sección transversal debido a la presencia física de los pilares y en algunos casos, estribos, del puente.

La erosión general se produce por la propagación, aguas abajo, de perturbaciones unidimensionales en el lecho del arroyo, producidas por las extracciones de arena con fines de aprovechamiento.

El arroyo Guadalupe está sometido a avenidas extraordinarias, las cuales se suceden con cierta regularidad.

Para calcular la frecuencia de avenidas, se usó la serie de caudales diarios en Agua Caliente (36 años).

El Cuadro 5 muestra la serie de avenidas anuales extraída de la serie completa.

En base a la serie de avenidas anuales, el Cuadro 6 muestra las avenidas calculadas por los métodos de Gumbel y Log Pearson III, para las frecuencias de diseño de 50 y 100 años (Ponce 1989).

5.3.1  Erosión local

La erosión local es la profundidad de socavación en el pilar central del puente en condiciones hidráulicas correspondientes a la avenida de diseño.

El puente Guadalupe está cimentado sobre cinco (5) pilares.

Dos de estos pilares están cimentados directamente sobre el lecho principal del arroyo (Fig. 19), mientras que los tres (3) restantes están ubicados en la llanura de inundación (dos en la margen izquierda y uno en la margen derecha).

Fig. 19  Puente sobre el arroyo Guadalupe, mostrando los dos pilares en el lecho principal del arroyo (foto tomada el 13 de octubre de 2012).

El cálculo de la erosión local se hará sobre uno de los pilares ubicados en el lecho principal del arroyo, pues éste es el que está sometido a un mayor riesgo de falla por socavación.

Nótese que la remoción de material del lecho resulta en dos pilares no uniformes, con variación de la sección transversal en el sentido vertical.

La altura de la base cilíndrica de cada pilar, por encima del nivel actual del terreno, se ha medido en 1.8 m.

En condiciones de avenida extraordinaria, cuando el flujo debajo del puente llega a alcanzar el nivel inferior de la superestructura del puente, el caudal calculado es de 2,618 m³/s.

Este valor es considerablemente inferior a las avenidas de 50 y 100 años, las cuales se estiman en 14,695 m³/s y 20,650 m³/s, respectivamente (Cuadro 5).

Este resultado indica que probablemente las avenidas de 50 y 100 años causarán inundaciones mayores y podrán poner en peligro la estabilidad del puente.

El puente estará en peligro de falla si la profundidad de socavación es mayor que la profundidad de cimentación de los pilares.

La profundidad de socavación se ha calculado usando la fórmula de Melville (Melville 1997; Ponce 2012c).

Los valores calculados se muestran en el Cuadro 7. Los datos de cálculo se muestran en el Apéndice 7.

Adicionalmente, para propósitos de comparación, se ha utilizado la fórmula de socavación del reporte HEC-18 de la Administración Federal de Carreteras de los EE.UU. (FHWA 2012; Ponce 2012d).

La profundidad de socavación en los pilares del puente por esta fórmula se ha calculado en 10.484 m. Los datos de cálculo se muestran en el Apéndice 8.

En base a los cálculos efectuados, se concluye que los pilares del puente deben estar cimentados a una profundidad de 11 m, medidos por debajo del nivel actual del terreno (Cuadro 8).

5.3.2  Erosión general

La erosión general asume que existe una perturbación negativa (corte o depresión) en el lecho del arroyo aguas arriba del puente, y que esta perturbación se propagará aguas abajo durante la avenida, hasta encontrar al puente y comprometer su estabilidad por erosión longitudinal, siguiendo el sentido de la corriente (Bovolin y Ponce 2008).

En el caso del arroyo Guadalupe, puede observarse que el corte actual (octubre de 2012), debido a la extracción de arena, está a casi el mismo nivel en dirección longitudinal y transversal (Fig. 20).

Por lo tanto, no existe en la práctica una onda del lecho que pueda propagarse aguas abajo.

Esto significa que el riesgo de falla del puente por erosión general es mínimo.

Fig. 20  Puente sobre el arroyo Guadalupe, mostrando la ausencia de cortes o depresiones en el lecho aguas arriba del puente (foto tomada el 13 de octubre de 2012).

5.3.3  Riesgo de falla por socavación

Los resultados anteriores permiten concluir que hay un riesgo de falla del puente Guadalupe por erosión local (socavación), en caso de producirse una avenida extraordinaria que ocupe toda la sección hidráulica disponible debajo del puente.

A la fecha no existen datos fehacientes sobre la profundidad de cimentación actual o efectiva.

Por lo tanto, las conclusiones sobre el riesgo de falla están supeditadas a la disponibilidad eventual de este dato.

6.  REGULACIÓN

6.1  Consideraciones

La regulación de la extracción de arenas de los cauces fluviales debe tomar en cuenta las siguientes consideraciones:

1. Disponibilidad del recurso arena en un horizonte temporal de planeación dado.

2. Influencia de la extracción de arenas sobre el recurso hídrico (cantidad de agua), incluyendo agua superficial y agua subterránea.

3. Influencia de la extracción de arenas sobre la calidad del agua superficial y subterránea.

4. Influencia sobre la estabilidad de los puentes localizados en las vecindades de la extracción.

5. Influencia sobre la sustentabilidad de los ecosistemas ribereños.

6. Influencia sobre la belleza natural o estética del paisaje.

6.2  Propuesta para la regulación

Las arenas de los cauces fluviales tienen un destino eventual final, ya sea en las llanuras aluviales o en el océano próximo.

Su extracción con propósitos económicos puede hacerse en zonas no consolidadas (arena suelta) en los cuales hay una tendencia clara a la sedimentación en un horizonte de planeación dado (25 a 50 años).

Esta tendencia es más marcada en casos de tectonismo local ascendente, como es el caso del valle de Guadalupe.

Debe calcularse la cantidad de arena que pueda ser extraída en forma sustentable, tomando en cuenta las condiciones hidráulicas y sedimentológicas locales.

La extracción de arenas de los cauces secos o arroyos debe limitarse a una profundidad de corte tal que minimice la exposición de la napa freática a procesos de evaporación.

En el caso de arroyos el recurso hídrico es escaso; por lo tanto, debe minimizarse la evaporación en los reservorios de agua subterránea.

No se debe efectuar la explotación, uso, o aprovechamiento de materiales pétreos en los tramos donde el nivel freático se encuentre a menos de 3 m de profundidad.

El proceso de extracción debe efectuarse de aguas abajo hacia aguas arriba.

Debe tomarse las debidas precauciones para minimizar o eliminar la contaminación de aguas superficiales o subterráneas por efecto de derrame de insumos usados en la extraccción de arenas, como fluídos, combustibles, o lubricantes.

Los cortes producidos por la extracciones no deben tener un efecto apreciable en la estabilidad de los puentes localizados en las vecindades.

Los puentes localizados aguas abajo están sujetos a erosión general (longitudinal); los puentes localizados aguas arriba están sujetos a erosión local (cortes de cabecera).

Debe calcularse la profundidad de socavación en los pilares de los puentes durante el paso de la avenida de diseño, con y sin extracción.

Debe prohibirse la explotación, uso, o aprovechamiento de materiales pétreos en la zona de protección de la infraestructura hidraulica, en los cauces que sirvan de límite internacional, y en la franja comprendida 200 m aguas arriba y aguas abajo de las obras de infraestructura, tales como puentes, torres de electricidad, y cruces subfluviales de ductos de cualquier tipo.

Las concesiones de extracción de arena deben establecer un programa de manejo mínimo de los ecosistemas ribereños, con el fin de garantizar su continuidad y sustentabilidad después de finalizada la concesión.

Debe mantenerse una zona de transición adecuada, no disturbada, entre el área de extracción y el banco adyacente.

Las concesiones de extracción de arena deben establecer un programa adecuado de cierre.

El objetivo del programa de cierre debe ser el dejar al cauce en condiciones geomorfológicas, hidrológicas, y ecológicas similares a aquéllas que prevalecieron antes de la extracción (Fig. 21).

Debe evitarse los enderezamientos de cauce y otras modificaciones al alineamiento natural del curso de agua.

Fig. 21  Cañada Joe Bill, en Tecate, Baja California, después de la extracción de arenas.

7.  CONCLUSIONES

7.1  Factores

Se ha analizado el caso de la extracción de arenas del cauce del arroyo Guadalupe, en Baja California.

La arena está siendo extraída con fines económicos desde el año 1999, principalmente para exportación.

El análisis comprende los factores geológicos, geomorfológicos, hidrológicos, hidrogeológicos, hidráulicos y hidrosedimentológicos que interactúan en el proceso de extracción de arenas, como se detalla a continuación.

• Geología:  El tectonismo ascendente local incrementa la acumulación de arenas en zonas de pendiente hidráulica reducida.

• Geomorfología:  El perfil longitudinal local determina las zonas (tramos) principales de acumulación de arena.

• Hidrología:  El caudal líquido del arroyo Guadalupe, el cual ha sido medido durante 36 años en Agua Caliente, determina el caudal sólido de arenas.

• Hidrogeología:  La profundidad a la napa freática condiciona el aprovechamiento.

• Hidráulica:  El flujo del arroyo depende de las condiciones geométricas y de fricción (número de Manning) del cauce.

• Hidrosedimentología:  El transporte de sedimentos (arenas) depende del tamaño de las partículas, las cuales están relacionadas con la pendiente predominante.

En el valle de Guadalupe, estos factores se entrelazan creando una estabilidad dinámica natural, en la cual se producen grandes cantidades de arena que se depositan en el cauce fluvial.

Dadas las condiciones socioeconómicas prevalecientes en la región, estas cantidades pueden considerarse semirenovables en un horizonte temporal de planeación dado.

7.2  Conclusiones

Este estudio permite llegar a las siguientes conclusiones:

1. Cantidad de arenas, Agua Caliente-Puente Sin Superestructura (Zona A):  Un volumen de 6,466,595 m³ correspondiente a un horizonte temporal de planeación de 25 años (Sección 4.2).

2. Efecto de la extracción de arenas en el agua subterránea:  El efecto es mínimo en el caso actual, en el cual el aprovechamiento de agua subterránea mantiene la napa freática muy por debajo de la superficie del terreno (Apéndice 5).

3. Efecto de la extracción de arenas en la infraestructura del puente Guadalupe:  El efecto es máximo, siempre que el puente actual esté cimentado por encima de la profundidad de socavación de los pilares, la cual se ha calculado en 11 m (Cuadro 8).

8.  RECOMENDACIONES

Las siguientes recomendaciones están basadas en los resultados del estudio.

1. Habilitación de la Estación Hidrométrica Agua Caliente.

   Debe habilitarse la Estación Hidrométrica Agua Caliente.

   Mientras que la estación climatológica Agua Caliente continúa funcionando hasta la fecha, la estación hidrométrica dejó de funcionar en noviembre de 1992. Desde esa fecha, no existen datos fehacientes del caudal líquido y sólido en la entrada de la cuenca del arroyo Guadalupe. Esta situación aumenta la incertidumbre del cálculo.

2. Verificación del riesgo de falla del Puente Guadalupe.

   Debe hacerse una verificación independiente de los cálculos de socavación realizados en este estudio.

   No existen datos fehacientes o publicados sobre la profundidad actual de cimentación de los pilares del puente Guadalupe.

   Los resultados de este estudio indican que hay riesgo de falla en caso de que el puente sea sometido a avenidas extraordinarias. Las avenidas normales de diseño (50 y 100 años) exceden en forma considerable la avenida hipotética que ocupe toda la sección hidráulica disponible debajo del actual puente.