Eduardo Mario Mendiondo y Roberto Eduardo Kirchheim

Instituto de Pesquisas Hidráulicas, Universidade Federal de Rio Grande do Sul

Cx P. 15029. CEP 91501-970. Porto Alegre, RS, Brasil. emmsz@if1.if.ufrgs.br

This work presents the relations between the infiltration component of the Storm-Runoff Balance, also called the Short-Term, Hydrological Balance – STHB-, and its hydrogeological characteristics.

In this paper, 88 STHBs, with total precipitation above 10 mm, from seven urban basins (catchment areas ranging from 3 to 7.44 km ² , with total impervious fraction, IMP, from 6 to 70 %) of the Porto Alegre Metropolitan Region, Southern Brazil, were studied. Using the SCS(1964) approach, the potential storage of the upper horizons -S-, from the regolith layer up to terrain level, was estimated for each urban basin, depending on two criteria: i) infiltration prior to runoff beginning -initial losses- proportional to the value of the estimated S, and ii) initial losses observed in each of the 95 STHBs. For the latter case, both an inverse trend between S and IMP, and also, a positive behavior between S and pervious areas have been depicted in the experimental results.

Este trabajo investiga las relaciones derivadas de la componente de infiltración profunda en el balance hídrico de corto plazo (BHCP) y sus implicancias hidrogeológicas. Fueron estudiados 88 BHCPs reales ocurridos con precipitaciones totales que excedieron los 10 mm, y acontecidas en un total de siete (7) subcuencas urbanas (áreas de captación entre 3 y 7,44 km ² , con impermeabilidad total, IMP, variando de 6 a 70 % de la superficie de la cuenca) de la Región Metropolitana de Porto Alegre (RMPA), RS, Brasil. A partir de la analogía propuesta por el Soil Conservation Service (SCS, 1964) fue estimada la componente hidrológica de almacenamiento potencial de los horizontes superficiales hasta el regolito local, S, para cada subcuenca urbana considerando dos criterios: i) pérdidas iniciales proporcionales a S, y ii) pérdidas iniciales observadas. A partir del segundo caso, los resultados muestran un comportamiento inverso entre S e IMP y proporcional entre S y las áreas más permeables de las cuencas.

El 80 % de la población sudamericana se concentra en grandes centros urbanos, y en especial en los países miembros del bloque económico del MERCOSUR (Argentina, Brasil, Paraguay y Uruguay). Este comportamiento proviene de la época colonial, donde era común ir transformando los "asentamientos" junto a las márgenes de los ríos de la Llanura Chaco-Pampeana en, primeramente, "pueblos" y luego en "ciudades", demandando un crecimiento en la demanda hídrica (Bojanich, 1987).

Ya en los albores del siglo XXI la situación anterior se traduce en grandes conglomorados urbanos, con asentamientos humanos irregulares, aumento de inundaciones urbanas, problemas de calidad de agua y deterioración de los niveles freáticos y de los acuíferos superficiales. Debido a una falta, o tardía, implementación de Planos Directores y/o Códigos de Urbanización eficientes en ciudades ya con más de 40000 habitantes, se hace necesario repensar los enfoques a estos problemas. Una forma viable es relacionar conceptos, algoritmos y metodologías de disciplinas más o menos próximas, como por ejemplo la Hidrología Clásica y la Hidrogeología, y discutir sus alcances en términos de propósitos múltiples, a través de iniciativas de carácter interdisciplinar, como por ejemplo la de Geo-bio-hidrología (Kobiyama et al, 1998).

Un ejemplo práctico de estos alcances interdisciplinares lo representa la relación dinámica entre los niveles freáticos supeditados a lluvias más o menos frecuentes en cuencas urbanas. La experiencia indica que lluvias con precipitaciones de apenas 10 mm o más, pero con intensidades importantes, suelen producir inconvenientes en ciudades como Buenos Aires, Resistencia, Santa Fe, Porto Alegre, São Paulo y Rio de Janeiro, siendo aún bastante diferente la hidrogeología local en cada una de ellas. En este trabajo se analiza el Balance Hidrológico a Corto Plazo de lluvia-escorrentía y sus implicaciones con las características de almacenamiento de los perfiles de suelo regional a partir de datos observados en cuencas con un grado de urbanización variable. Los resultados, las discusiones y las propuestas del mismo sirven como un puntapié inicial para la interpretación más racional de los datos siguiendo criterios hidrogeológicos, de vegetación y ocupación urbana.

En primer lugar, se hace referencia al balance hídrico a corto plazo y una aproximación usada en la Hidrología Clásica. En la Segunda parte, se presentan las principales características del lugar de aplicación, así como un breve comentario de los datos usados en este trabajo.

La analogía sobre la transformación lluvia-escorrentía, haciendo un balance hídrico al finalizar una tormenta real, a través i) de la precipitación incidente sobre una cuenca hidrográfica, ii) de la retención de agua en la cuenca y iii) de la escorrentía que pasa al sistema de canales y arroyos, puede llamarse de Balance Hídrico a Corto Plazo – BHCP-. En este balance, el exceso de precipitación, también llamado de escorrentía directa o precipitación efectiva, Pe, es siempre menor o igual a la precipitación incidente, Pi. La escorrentía comenzará luego que la precipitación acumulada en un cierto tiempo "t" supere un umbral de retención de agua en la cuenca, denominado de Ia, o de pérdidas iniciales. Aplicando la ley de continuidad podemos escribir:

Una vez que la escorrentía comienza, la lámina de agua que se infiltra en la cuenca es llamada Fa, que es menor o igual a un valor de retención máximo S. Para la tormenta completa, la escorrentía potencial máxima es igual a (Pi-Ia). Abordando esta analogía, la hipótesis central del método propuesto por SCS (1964) es que la relación entre dos cantidades reales, Pe y (Pi-Ia), y dos cantidades potenciales, Fa y S, sean iguales, es decir

Combinando las ecuaciones (1) y (2) se llega a:

La ecuación (3) expresa la escorrentía total de una cuenca, al cabo de una tormenta a partir de la precipitación incidente, las denominadas pérdidas iniciales y el almacenamiento potencial, S. Existen trabajos que indican que puede aproximarse Ia = 0,2 S, lo que convierte la ecuación (3) en:

El abordaje del SCS(1964) estima S a partir del número de curva característica, CN, por:

Tradicionalmente, el CN es visto en la hidrología clásica como un parámetro característico de la cuenca, siendo que el mismo puede cambiar conforme el uso del suelo y el estado de humedad antecedente (Chow et al, 1994).

Un abordaje alternativo es la estimación del CN, y por consecuencia S, a partir del comportamiento de diferentes tormentas en las cuales hayan sido observados Pi, Ia y Pe, respectivamente. Para ello, el S y CN pueden obtenerse por a partir de la ecuación (3), respectivamente, dependiendo de cómo sea estimada Ia, es decir:

a) Ia observado,

b) Ia = 0,2 S (Pedraza, 1998),

La Región Metropolitano de Porto Alegre – RMPA-, con más de 3 millones de habitantes al final del siglo XX, es uno de los polos urbanos que más crece en Brasil. Según el Mapa Hidrogeológico de América del Sur elaborado por UNESCO Programa Hidrológico Internacional (1996), la RMPA está asentada en una zona intermedia entre las provincias hidrogeológicas del Macizo Meridional, de la denominada Cuenca Hidrogeológica de Paraná y la Provincia Hidrogeológica Costera, clasificadas como provincias 14, 13 y 16 respectivamente.

La Provincia del Macizo Meridional está formada por rocas graníticas del Precámbrico, con porosidad secundaria debido a fracturas, las cuales pueden estar cubiertas o no por depósitos del tipo eluvionar y coluvionar. Forman una acuífero del tipo "fisural" o fracturado, con pequeños caudales, aunque con importancia relativa. La Provincia Hidrogeológica del Paraná está representada por pequeñas porciones aflorantes de arenitos y siltitos del Paleozoico, mientras que la Provincia Costera está caracterizada por depósitos sedimentarios arcillo-arenosos a arenosos de origen fluvial, deltaico y lacustre

Existen varios trabajos que caracterizan el ocupamiento urbano (Campana y Tucci, 1994; Campana et al, 1995), la infiltración estimada en pequeños lotes experimentales (Genz y Tucci, 1995) y la hidrografía (Menegat et al, 1998; Germano et al, 1998) de la RMPA. La concentración de trabajos ha sido sobre las subcuencas del Arroyo Diluvio, uno de los principales colectores urbanos de la RMPA, con un área de 80 km ² , con un largo principal de 14 km orientado en dirección NE-SO. Esta cuenca aporta sus aguas hacia el estuario del Rio Guaiba que, vía laguna dos Patos, llega a la vertiente del Atlántico Sud-Oriental. La cuenca del Arroyo Diluvio es una zona de colinas medias a acentuadas, con cotas que llegan a 300 m s.n.m.m. Las precipitaciones son bien distribuidas a lo largo del año con un valor medio de 1400 mm, predominando un clima del tipo Cfa de Koeppen. La cuenca del arroyo Diluvio, cuyo sustrato principal son las rocas graníticas fracturadas, presenta un relieve bastante diferenciado. Esta topografía está compuesta geomorfológicamente por tierras altas en las cabeceras de las subcuencas, en las cuales predominan las cristas y colinas, y por tierras bajas de planicies y terrazas fluviales. Los espesores del manto de alteración de las rocas graníticas de la RMPA son del orden de 5-10 metros, y en casos excepcionales pueden llegar hasta 15 m (Hausman, 1975). Los regolitos locales pueden presentar conductividades hidráulicas del orden de 10 -⁴ a 10 ^-2 metros/dia y con porosidad de 45%-50% (Brassington, 1995)

En este trabajo fueron escogidas 7 subcuencas pertenecientes a la cuenca del Arroyo Diluvio, cuyas características aparecen en la Tabla 1. A partir de los inventarios informados por IPH (1979), el cual operó una red de pluviógrafos y limnígrafos en la RMPA, fueron seleccionadas 88 BHCPs reales entre el período de enero de 1978 y julio de 1981 en las diferentes subcuencas, y luego fue realizado un detallamiento de cada una de ellas usando las ecuaciones 1 a 9. El criterio de selección de tormentas obedeció a las siguientes premisas: i) registros de lluvia y caudal sincronizados, ii) precipitaciones totales mayores a 10 mm y iii) cumplimiento de la ecuación de continuidad (ecuación 1).

Debido a que el paisaje urbano presenta varios usos diferentes (áreas construidas, suelo desnudo, arbustos y arboles, pastos, etc.) es necesario de contar con inferencias sobre la información interna de cada pixel de resolución. Esto puede ser estimado usando metodologías que permiten evaluar la mezcla de usos, como es el caso del abordaje denominado de "fuzzy" en inglés (Wang, 1990). Usando este abordaje (Campana et al, 1995) los valores de IMP y VERD de la Tabla 1 fueron obtenidos por clasificación de imágenes satelitales Landsat, con una resolución espacial de 30x30 m.

En la Tabla 2 aparecen los resultados de las estimaciones de S a partir de las pérdidas observadas y proporcionales conforme SCS (1964), respectivamente.

Campana et al (1995) estimaron los valores de CN a partir de los usos de suelo clasificados satelitalmente en cada una de las siete subcuencas urbanas aquí analizadas. De esta manera puede obtenerse, a través de la  Ecuación 4, el correspondiente valor medio de S, el cual aparece en la Figura 1 junto a las estimaciones de los dos abordajes anteriores.

Dada la diversidad y número de BHCPs analizados, los resultados indican una heterogeneidad de respuestas, y dispersiones con relación al valor medio, evidente en las siete subcuencas del arroyo Diluvio. En la Tabla 1 puede verse que los mayores desvíos de S(Ia) se dan en las cuencas con IMP valiendo 6,2 %, 19,8 y 27,9 % (subcuencas VI, III y I, respectivamente), y donde los valores medianos de S oscilaron entre 169 y 1907 mm para el caso A (Ia observados) y entre 62 y 160 para el caso B (S/Ia = constante). En este último caso, los valores medianos forman un grupo diferenciado respecto a los valores de IMP. No obstante, el caso B es un caso extremo dado que no considera la diversidad de tormentas reales con diferentes comportamientos entre Pi, Pe e Ia.

Por otro lado, la Figura 1 evidencia claramente que tanto el abordaje A y el abordaje B son situaciones extremas del cálculo de S , estando los valores estimados por satélite (Campana et al, 1995) en un el medio de los dos primeros abordajes. Esta tendencia no se cumple en todas las subcuencas estudiadas, como por ejemplo en Arroio do Meio y Cascata II (subcuencas II y V respectivamente). En cuencas urbanas, este comportamiento puede provenir de dos fuentes que no son necesariamente excluyentes: i) de las superficies impermeables directamente conectadas a la red de drenaje y que provocan un rápido escurrimiento, y ii) un aumento del gradiente topográfico medio de la cuenca.

Visitando oportunamente las subcuencas en estudio, y verificando los levantamientos pedo-geomorfológicos reportados por Bastos (1991), se constató que estas dos subcuencas mencionadas (II y V) efectivamente no presentan las mayores tasas de impermeabilidad (conforme lo constata la Tabla 1) y sí un accidentado paisaje que incide claramente en la disposición de la ocupación urbana a medida que se "suben" los morros. Por un lado, la estratificación del tipo de construcción, así como el grado de ocupación, se adecuan a la tipología del terreno. Por otro, al ser estas dos subcuencas compuestas por barrios relativamente "jóvenes" conforme el crecimiento histórico de la ciudad, las superficies impermeables directamente conectadas a la red están totalmente ligadas al patrón topográfico que es marcante en ambas.

Esta característica de declives fuertes, ante un patrón de lluvias frecuentes e intensas hace aparecer erosiones concentradas en las superficies sin cobertura vegetal o con una débil estructura pedológica, cambiante fuertemente con el tiempo. Este comportamiento no sólo es restringido a las zonas urbanas sino también a aquellas áreas sub-urbanas y/o rurales donde existen huertos y quintas, donde los patrones de erosión son muy próximos a los encontrados en suelos agrícolas de climas subtropicales (Mendiondo et al, 1998).

Al correlacionar los almacenamientos potenciales medios de las siete subcuencas con los porcentajes de áreas impermeables y áreas verdes, IMP y VERD respectivamente, se encuentra una regresión del tipo:

No obstanto, es importante destacar que observando la Tabla 1, se puede partir del presupuesto que las subcuencas I, III y VI sean consideradas como sub-urbanas. Portanto, es lógico que las mismas presenten los mayores valores de S, independientemente del abordaje utilizado para el análisis. Mientras tanto, se observa que existe una correlación directa entre la magnitud de S y el espesor de la cobertura regolítica, lo que puede ser especialmente mejor visto en el abordaje del BHCP que retrata Ia a partir de observaciones reales. Los otros abordajes tienden a subestimar los efectos del espesor y de la permeabilidad del manto de alteración. El espesor, asimismo, está relacionado con procesos de intemperismo que, para una condición climática similar, tendrán una mayor eficacia en la descomposición de las rocas que presenten mayor fracturamiento. Por lo tanto, el índice de fracturamiento del sustrato de las subcuencas también ejerce influencia en la estimación de S, independiente del método usado para su determinación

Este trabajo preliminar destaca las potencialidades del balance hídrico a corto plazo y su relación con las características hidrogeológicas de cuencas urbanas de la Región Metropolitana de Porto Alegre, Brasil. La metodología fue usada para un umbral de 10 mm de precipitación total incidente, Pi, el cual deberá ser re-evaluado en futuros trabajos para validación de la metodología.

Las diferencias en las estimacioes de S reflejan la importancia del fiel retrato de todas las características del proceso de lluvia-escorrentía, para correctamente correlacionarlo con el comportamiento de infiltración potencial y, por lo tanto, con las características hidrogeológicas locales. Aún, con buenas correlaciones empíricas entre la retención potencial y el grado de impermeabilidad de cada cuenca, estos resultados deben ser evaluados en cuencas con características diferenciados, como por ejemplo en las ciudades de la llanura Chaco-Pampeana o de climas más secos o más húmedos que del presente trabajo. Por último, y no por menos, la infiltración preferencial en zonas de fracturas y los grandes volúmenes potenciales de almacenamiento debido a una porosidad y espesor de mantos de alteración ejercen fuertes influencias en los valores de S y deben ser estudiados en detalle en futuros trabajos.

Parte de las consideraciones aquí presentadas partieron de discusiones y debates con colegas y pares durante el I Seminario Internacional sobre Manejo del Agua Pluvial Urbana, 14-16 de mayo de 1997, FICH-UNL, Santa Fe y el I Congreso Argentino de Hidrogeología, Setiembre de 1997, en la UNS, Bahía Blanca, a los cuales agradecemos sus consideraciones. Este trabajo está financiado por el Conselho Nacional de Pesquisa, CNPq, de Brasil a través de becas de investigación.

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