SDSU Faculty Profile - Dr. Victor Miguel Ponce - Flood hydrology of the Binational Cottonwood Creek - Arroyo Alamar, California and Baja California


HIDROLOGÍA DE AVENIDAS
DEL ARROYO BINACIONAL COTTONWOOD-ALAMAR,
CALIFORNIA Y BAJA CALIFORNIA

Victor Miguel Ponce

San Diego State University
San Diego, California


Versión web 2.01, 19 de julio del 2001


Resumen Ejecutivo
Reconocimientos
Contenido


Cottonwood Creek (40114) un poco antes de su ingreso a México.


Introducción   Antecedentes   Descripción de la Cuenca   Metodología  
Manejo de Datos   Resultados   Conclusiones   Bibliografía   Anexos

INTRODUCCIÓN

        Este reporte describe el estudio de hidrología de avenidas realizado en el Arroyo Alamar, situado en la ciudad de Tijuana, Baja California, México. El Arroyo Alamar está siendo considerado para desarrollo por el Instituto Municipal de Planeación (IMPlan) del H. XVI Ayuntamiento de Tijuana. El proyecto considera el encauzamiento del arroyo desde la sección localizada en el puente sobre la carretera de cuota a Tecate (México 2), hasta su confluencia con el Río Tijuana, propiamente en la ciudad de Tijuana. La longitud del proyecto de encauzamiento es de 10 km.

        El Arroyo Alamar forma parte de la cuenca del Río Tijuana, el cual desemboca al Oceáno Pacífico en Imperial Beach, en el condado de San Diego, California. La cuenca del Río Tijuana está comprendida en el condado de San Diego y los municipios de Tijuana, Rosarito y Tecate, en Baja California, lo que la convierte en una cuenca hidrográfica binacional, con la porción mayoritaria (70 por ciento) en Baja California y el resto en California (Comisión Nacional del Agua, 1994). Por tanto, el estudio de la hidrología de avenidas comprende el análisis de datos geográficos, geológicos, climatológicos, e hidrológicos a ambos lados de la frontera México-EE.UU.

        La cuenca del Arroyo Alamar es parte del sistema hidrográfico Cottonwood Creek- Arroyo Alamar- Río Tijuana, y está comprendida entre las latitudes norte 32o 30' y 32o 56' y longitudes oeste 116o 18' y 116o 57', con la porción mayoritaria (86.2 por ciento) en California, y el resto (13.8 por ciento) en Baja California. El estudio hidrológico de avenidas comprende el análisis del Arroyo Cottonwood (cauce principal) y sus tributarios de consideración: Kitchen, La Posta, Morena, Pine Valley, Potrero y Campo- Tecate, entre otros. El Arroyo Cottonwood toma el nombre de Río Tijuana en su confluencia con el Arroyo Tecate, dentro de California, para luego cambiar de nombre a Arroyo Alamar en su entrada a México. Aguas abajo, en la ciudad de Tijuana, el Arroyo Alamar se une con el Río Tijuana propiamente dicho, el que luego cruza la frontera y desemboca al océano en Imperial Beach.

        Este estudio comprende el análisis de la hidrología de avenidas del Arroyo Cottonwood- Alamar. El objetivo es la determinación de los flujos de avenida para frecuencias de 2 a 1000 años. El análisis se ha efectuado usando un modelo hidrológico determinístico- conceptual de precipitación- escurrimiento, de aplicación general. En la práctica actual de la hidrología, este tipo de análisis es preferible a aquél que usa modelos paramétricos estadísticos. Estos últimos requieren de un registro largo de aforos, comparable al horizonte de predicción (hasta 1000 años), el cual no está disponible para el Arroyo Alamar.


Rattlesnake Canyon (31001) en la intersección con el conducto Dulzura.


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Manejo de Datos   Resultados   Conclusiones   Bibliografía   Anexos

ANTECEDENTES

        La Comisión Nacional del Agua, a través de su Gerencia Estatal en Baja California, Subgerencia de Administración del Agua, ha realizado el estudio titulado "Cuenca Arroyo El Alamar, Tijuana, B.C., Estudio Hidrológico" (Comisión Nacional del Agua, 1993). El objetivo de este estudio es analizar las condiciones hidrológicas de la cuenca del Arroyo Alamar, para determinar la frecuencia y probabilidad de occurrencia de los escurrimientos, así como el calcular la avenida de diseño correspondiente a la llamada "cuenca libre." Esta última es la fracción de la cuenca que no está sujeta a regulación por las presas Morena y Barrett, ubicadas en territorio de los Estados Unidos, fuera del control técnico de México.

        Con el objeto de definir el gasto de diseño más apropiado para utilizar en la demarcación de las zonas federales en el Arroyo Alamar, el estudio citado usó los aforos del período de 14 años correspondiente a 1979-92 en la estación hidrométrica ubicada en dicha corriente.

        El estudio utilizó los siguientes métodos estadísticos de ajuste: (1) Gumbel simple, (2) Gumbel dos poblaciones (II), y (3) distribución normal. Los gastos de diseño calculados, para períodos de retorno de 5 a 10000 años, son mostrados para referencia en las líneas 1 a 3 del Cuadro B-1 . El análisis concluyó que la distribución normal es la más representativa de los datos aforados, seleccionándose sus valores para el diseño.

        El estudio citado también considera el gasto de diseño correspondiente a la canalización existente en el Arroyo Alamar, inmediatamente aguas arriba de su confluencia con el Río Tijuana, el cual es de 1720 m3 s-1. Esta canalización consiste de una sección trapezoidal de concreto, con una longitud de 1.8 km, y fue construída como parte de la primera etapa de la canalización del Río Tijuana, completada en 1970. El estudio menciona que el vertedor de demasías de la Presa Barrett, localizada aguas arriba del Arroyo Alamar, completamente en territorio de los Estados Unidos, está diseñado para un gasto de 1698.6 m3 s-1.

        Para la demarcación de la zona federal, el estudio citado (Comisión Nacional del Agua, 1993) obtiene un gasto de diseño de 801.21 m3 s-1, el cual consta de dos partes:

  1. El gasto de 551 m3 s-1 correspondiente a un período de diseño de 50 años para la cuenca libre (de acuerdo a la distribución normal), es decir, el escurrimiento generado exclusivamente aguas abajo de la presa Barrett; y

  2. El gasto de 250.21 m3 s-1 correspondiente al vertido de la presa Barrett.

        La relación de gastos (551.0 m3 s-1 / 801.21 m3 s-1) fue calculada de la relación de áreas de drenaje, tomadas como 75,864 ha para la cuenca libre y 110,314 ha para la cuenca total. La diferencia entre estos dos valores es de 34,450 ha, la cual corresponde a la cuenca tributaria de la presa Barrett, excluyendo la de la presa Morena. El estudio citado aclara que el gasto a utilizar para la demarcación de la zona federal es el calculado (801.21 m3 s-1) o la capacidad del cauce excavado, cualquiera que sea mayor.

        Un estudio similar fue encomendado por la Subgerencia Regional Técnica, Gerencia Regional de la Península de Baja California, Comisión Nacional del Agua el siguiente año (Comisión Nacional del Agua, 1994). Este estudio usó los aforos del período de 15 años correspondiente a 1979-93, y concluyó esta vez que el método Gumbel II era el más representativo de los datos aforados, con los resultados que se muestran en la línea 4 del Cuadro B-1. De acuerdo a la normatividad vigente establecida por la Comisión Nacional del Agua, el citado estudio determinó que el gasto a utilizar para la demarcación de la zona federal del Arroyo Alamar tendrá un período de retorno de 10 años, lo que corresponde a un gasto de diseño de 548 m3 s-1, es decir 550 m3 s-1.

        Las diferencias entre estos dos estudios, para los mismos propósitos, son marcadas. El primer estudio asume como válida la distribución normal, un período de retorno de 50 años, y considera que una fracción del gasto total, calculada mediante una proporción de áreas tributarias, es vertida por la presa Barrett. El segundo estudio considera como válida la distribución Gumbel II, un período de retornode 10 años, y no considera el vertido de la presa Barrett. Cabe mencionar que la normativa federal para la demarcación de zonas federales establece un período de retorno (a) de 5 años en zonas semiáridas a húmedas, o (b) mayor o igual a 10 años en zonas áridas con régimen de escurrimiento errático. Este último valor es aplicable a la cuenca del Arroyo Alamar.


Subcuenca de cabecera (27) de Cottonwood Creek.


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DESCRIPCIÓN DE LA CUENCA

        El Arroyo Alamar se origina en Estados Unidos con el nombre de Cottonwood Creek (Arroyo Cottonwood), el cual tiene sus nacientes cerca de la elevación 1646 m en las inmediaciones de Crouch Valley (Valle Crouch), ubicado al SW del Monte Laguna (Mount Laguna), en el este del condado de San Diego. El Arroyo Cottonwood discurre en dirección Sur hacia México, encontrando varios tributarios de consideración, entre los que se encuentran los siguientes arroyos, de aguas arriba hacia aguas abajo: Kitchen, La Posta, Morena, Hauser, Pine Valley, Corral Canyon, Wilson, Rattlesnake Canyon, McAlmond Canyon, Potrero, Bee Canyon, Campo-Tecate, y Mine Canyon.

        Las presas Morena y Barrett, ubicadas en el Arroyo Cottonwood, forman parte del sistema de embalses de la ciudad de San Diego. La presa Morena se ubica aguas abajo de la confluencia del Arroyo Cottonwood con Morena Creek y aguas arriba de Hauser Creek. La presa Barrett se localiza aguas abajo de Pine Valley Creek, Corral Canyon y Wilson Creek y aguas arriba de Rattlesnake Canyon.

        La presa Morena está ubicada geográficamente en la latitud 32o 41' N y longitud 116o 32' 55" W. La altura de la cortina sobre el lecho del arroyo es de 52.12 m, y la longitud y ancho de la cresta es 167.64 m y 6.096 m, respectivamente. El vertedor de demasías es de tipo ogee sin control, con una longitud de 95.098 m, y una capacidad de 707.92 m3 s-1 al nivel de la cresta de la presa. La presa fue puesta en operación en 1912. El vertedor de demasías operó en los años 1916, 1917, 1927, 1928, 1939-44, y 1980-84.

        La presa Barrett está ubicada en la latitud 32o 40' 45" N y longitud 116o 40' 20" W. La altura de la cortina sobre el lecho del arroyo es de 52.12 m, y la longitud y ancho de la cresta es 227.381 y 4.572 m, respectivamente. El vertedor de demasías es de tipo ogee, controlado con 26 compuertas de 2.438 m de altura y 3.941 m de ancho cada una, con una longitud total de 102.467 m. La capacidad de vertido es de 2491.88 m3 s-1 al nivel del parapeto (pared vertical) de 2.438 m de altura ubicado encima de la cresta de la presa. La presa fue puesta en operación en 1922. El vertedor de demasías operó en los años 1927, 1937, 1938, 1939, 1941-43, 1979-84, 1993, 1994, 1995, y 1998. (Los datos de las presas Morena y Barrett fueron proporcionados por el Departamento de Agua de la Ciudad de San Diego y convertidos a unidades métricas para fines de este estudio).

        La ciudad de San Diego opera las presas Morena y Barrett principalmente con fines de abastecimiento de agua. Por lo tanto, el objetivo es retener la mayor cantidad de agua posible. La operación de estos reservorios con fines de control de inundaciones no está bien definida, aunque es aparentemente bastante efectiva. Cabe mencionar que la presa Barrett es operada con las compuertas abiertas durante la temporada de lluvias (1o de noviembre a 1o de abril).

        Los niveles de agua de la presa Morena (ver Sección Manejo de Datos) correspondientes al período 1912-2000 muestran un nivel medio mensual medio (NMMmed) = 120.09 pies y un nivel medio mensual máximo (NMMmax) = 122.50 pies. Estos niveles pueden compararse con el nivel de la cresta del vertedor, que es 157 pies. La diferencia 157.0 - 120.09 = 36.91 pies (11.25 m) indica que la presa Morena es operada muy por debajo del nivel de la cresta del vertedor. La diferencia 122.5 - 120.09 = 2.41 pies (0.734 m) indica que la presa Morena es operada con muy poca variación estacional.

        Los niveles de agua de la presa Barrett (ver Sección Manejo de Datos) correspondientes al período 1921-2000 muestran un NMMmed = 115.42 pies y un NMMmax = 121.60 pies. Estos niveles pueden compararse con el nivel de la cresta del vertedor, que es 160.9 pies. La diferencia 160.9 - 115.42 = 45.48 pies (13.86 m) indica que la presa Barrett es operada muy por debajo del nivel de la cresta del vertedor. La diferencia 121.6 - 115.42 = 6.18 pies (1.883 m) indica que la presa Barrett es operada con poca variación estacional. Este análisis permite concluír que el nivel de operación de las presas Morena y Barrett depende más de las tendencias hidrológicas plurianuales (llámese períodos de sequías) que de las anuales (estaciones).

        El Arroyo Cottonwood discurre aguas abajo del Lago Barrett, en dirección SW, hacia México, recibiendo los aportes de los arroyos tributarios Rattlesnake, McAlmond, Potrero, Bee Canyon, Campo-Tecate y Mine Canyon. Luego de recibir las aguas del Arroyo Tecate, dentro del territorio de los Estados Unidos, el Arroyo Cottonwood cambia de nombre a Río Tijuana. Sin embargo, al entrar este río a territorio mexicano, nuevamente cambia de nombre a Arroyo Alamar, el cual discurre en dirección W hacia la ciudad de Tijuana, encontrándose luego de aproximadamente 16 km con el Río Tijuana propiamente dicho.

        El área tributaria de la cuenca del Arroyo Alamar, en su confluencia con el Río Tijuana, es de 1387 km2 (ver Sección Manejo de Datos). De esta área, 1196 km2 (86.2 por ciento) están ubicados en los Estados Unidos (California) y 191 km2 (13.8 por ciento) en territorio mexicano (Baja California).


Vertedor de demasías de la presa Morena (40104).


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METODOLOGÍA

        La metodología para el estudio de hidrología de avenidas del Arroyo Alamar está fundamentada en el uso de un modelo determinístico- conceptual para la conversión de precipitación a escurrimiento, usando el estándar que provée el modelo HEC-1 del Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos (U.S. Army Corps of Engineers, 1990), o su equivalente en GUI (graphical user interphase), el modelo HEC-GeoHMS (U.S. Army Corps of Engineers, 1998). El modelo usado en este estudio es RAINFLO, desarrollado por el Dr. Victor M. Ponce en 1986 emulando el estándar HEC-1. Este modelo da resultados comparables con el modelo HEC-1 (Lantz, 1989) y ha sido probado en varias oportunidades en diversas regiones geográficas, incluyendo Baja California (Ponce et al., 1985; Shetty y Ponce, 1997; Ponce et al., 1999).

        Las características principales del modelo RAINFLO son las siguientes:

  1. Una topología generalizada, lo que permite la definición de la red de drenaje usando números topológicos para cada subcuenca de cabecera (upland watershed) y subcuenca lateral (reach watershed), sin limitación de orden. En el caso del Arroyo Alamar, la topología se ha definido a un nivel de resolución tal que el Arroyo Cottonwood- Alamar, principal cauce de la cuenca, resulta ser de 4to orden.

  2. La precipitación puede especificarse para cada subcuenca (de cabecera o lateral) en forma de un pluviograma o de un valor de lámina (cm) asociado con un tipo de tormenta, entre las cuales se cuentan las tormentas típicas del Servicio de Conservación de Suelos (SCS, U.S. Department of Agriculture) y tormentas especificadas por el usuario.

  3. La abstracción de la precipitación, que en el caso de tormentas consiste mayormente de infiltración, se efectúa con el método del número de la curva (runoff curve number), un modelo conceptual desarrollado por el SCS en 1954 y de aplicación global (SCS, 1985; Ponce y Hawkins, 1996).

  4. La conversión de precipitación a escurrimiento se efectúa mediante la convolución del pluviograma efectivo con el hidrograma unitario SCS (obtenido del hidrograma unitario adimensional SCS) desarrollado para cada subcuenca (Ponce, 1989). La aplicabilidad de este tipo de hidrograma unitario a cuencas similares a las del Arroyo Cottonwood- Alamar está plenamente demostrada en la literatura hidrológica y aceptada por la CNA (Comisión Nacional del Agua, 1993; 1994).

  5. El tránsito de avenidas a través de reservorios se efectúa usando el método de indicación de capacidad (storage- indication method) (Ponce, 1989). En el caso de la presa Morena, el vertido es libre en cuanto el nivel del agua excede el nivel de la cresta del vertedor. En el caso de la presa Barrett, se asume que las compuertas están abiertas durante el vertido de la avenida, siguiendo la práctica de operación adoptada por la ciudad de San Diego.

  6. El tránsito de avenidas a través de cauces de arroyos se efectúa usando el método determinístico Muskingum- Cunge (Ponce, 1989). A diferencia del método clásico de Muskingum (Chow, 1959), el cual calcula los parámetros de tránsito en base al registro de aforos, en el método Muskingum- Cunge los parámetros de tránsito se calculan directamente de la morfología del canal (pendiente de la plantilla y sección transversal). Esto hace posible que el tránsito de avenidas se aplique a través de toda la red de drenaje, basando el cálculo en datos fisiográficos y obviando la necesidad de datos históricos. El uso de datos históricos es impracticable porque requeriría de aforos en todos los arroyos. El método Muskingum-Cunge ha sido aceptado por el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos como parte de sus modelos hidrológicos (U.S. Army Corps of Engineers, 1990).

  7. El modelo RAINFLO calcula las pérdidas por infiltración durante el tránsito en canales naturales. Estas abstracciones son conocidas en la literatura en inglés como "channel transmission losses" (Soil Conservation Service, 1985). Esta característica del modelo lo hace particularmente aplicable a cauces de arroyos en zonas áridas, como es el caso del suroeste de los Estados Unidos y noroeste de México. Estos arroyos típicamente subducen una fracción considerable del escurrimiento que transita por el cauce.

        La metodología seguida en el presente estudio considera los siguientes pasos:

  1. La compilación de la cartografía existente en California y Baja California, determinación de la topología (es decir, la anatomía de la red de drenaje) de la cuenca del Arroyo Cottonwood- Alamar, y delineación de las subcuencas. Para congruencia de escala, fue necesario convertir los mapas 1:50,000 de la cartografía mexicana (INEGI) a la escala 1:24,000 de la cartografía de Estados Unidos (USGS). Los datos fueron convertidos al sistema métrico para proveer un patrón uniforme.

  2. Recolección de datos de precipitación (tormentas) en California en períodos de retorno de 2 a 100 años (National Weather Service, 1973); digitalización de los datos de precipitación por subcuenca; extensiones a la porción de la cuenca comprendida en Baja California.

  3. Extensión de los datos de tormentas a los períodos de retorno de 200, 500 y 1000 años utilizando el método de los valores extremos (Gumbel), con ajuste por el método de mínimos cuadrados (Ponce, 1989).

  4. Reducción de las tormentas usando las relaciones profundidad-área usadas por la National Weather Service (1973).

  5. Selección de la tormenta SCS tipo I, aplicable a California del Sur y Centro, como tormenta de diseño. No existen tormentas regionales de diseño para la república mexicana.

  6. Cálculo del "nivel medio mensual medio" y "nivel medio mensual máximo" en los reservorios Morena y Barrett, basado en el registro de niveles proporcionado por la ciudad de San Diego (1912-2000 para la presa Morena y 1922-2000 para la presa Barrett).

  7. Recolección de datos cartográficos de uso y tipo de suelo en California, los cuales fueron utilizados para determinar el número de la curva (CN) para cada subcuenca en California (San Diego County, 1980). Para esto, se usaron los mapas temáticos a la escala 1:24000 de "Hydrologic Soil Group--Runoff Potential" y "Ground Cover--Vegetative and Manmade." Datos análogos a éstos no están disponibles para la porción de la cuenca situada en Baja California.

  8. Evaluación, usando pares estereoscópicos, mosaicos fotográficos y visitas de campo, de las condiciones de uso y tipo de suelo en la porción mexicana de la cuenca, previa a la estimación del número de la curva. Para esto se utilizó como referencia los usos y tipos de suelo localizados inmediatamente al norte de la frontera México- Estados Unidos.

  9. Evaluación, directamente de la cartografía, de las pendientes fisiográficas de las subcuencas y cursos de agua (pendiente media del terreno y pendiente media del lecho del cauce) que forman la red de drenaje del Arroyo Cottonwood- Alamar, en California y Baja California. La pendiente media del terreno se evaluó siguiendo el estándar del Manual de Hidrología del Condado de San Diego (San Diego County, 1985).

  10. Evaluación de las secciones transversales típicas de los cursos de agua que forman la red de drenaje del Arroyo Cottonwood- Alamar, en California y Baja California, mediante visitas, observaciones y mediciones de campo.

  11. Creación de archivos RAINFLO, conteniendo los datos necesarios para correr el modelo.

  12. Corrida del modelo para las frecuencias de 2, 5, 10, 25, 50, 100, 200, 500, y 1000 años, usando el NMMmax en las presas Morena y Barrett. Siendo la diferencia entre el NMMmax y el NMMmed relativamente pequeña, se optó por usar el NMMmax en la corridas. Esto asume la ocurrencia de la avenida al final del período húmedo, colocando el cálculo del lado de la seguridad.

  13. Corrida del modelo para las frecuencias de 2, 5, 10, 25, 50, 100, 200, 500, y 1000 años, asumiendo infiltración nula en el tramo del encauzamiento (número topológico 40117). Esto se hace con el fin de evaluar el impacto de una posible canalización de concreto sobre la recarga del acuífero y el gasto de diseño.


Presa Barrett en Cottonwood Creek (40109).


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MANEJO DE DATOS

        La cuenca de drenaje de Cottonwood Creek- Arroyo Alamar está comprendida dentro de 17 mapas cartográficos a escala 1:24000 del U.S. Geological Survey (Estados Unidos) en el condado de San Diego, y 3 mapas a escala 1:50000 de INEGI (México) en los municipios de Tijuana y Tecate, a saber:

  • En Estados Unidos, las cartas Cuyamaca Peak, Monument Peak, Viejas Mountain, Descanso, Mount Laguna, Sombrero Peak, Dulzura, Barrett Lake, Morena Reservoir, Cameron Corners, Live Oak Springs, Otay Mesa, Otay Mountain, Tecate, Potrero, Campo, y Tierra del Sol.

  • En México, las cartas Valle Redondo, Tecate, y La Rumorosa.

        La topología de la red de drenaje del Arroyo Alamar se muestra en la Fig. A-1. En el modelo RAINFLO, las cubcuencas son de dos tipos: (1) cabecera (upland watershed); y (2) lateral (reach watershed). Los números topológicos que caracterizan a las subcuencas de cabecera tienen hasta 2 digitos; por ejemplo, 10 (subcuenca de cabecera del Arroyo San Pablo). Los números topológicos que caracterizan a las subcuencas laterales tienen cinco digitos; por ejemplo, 30201 (primera subcuenca lateral de La Posta Creek).

        Las subcuencas virtuales se usan con el fin de posibilitar la salida de los resultados en puntos críticos (aguas abajo de las presas Morena y Barrett y aguas arriba del proyecto de encauzamiento). Las subcuencas laterales nulas (null reach) se proveen con el fin de hacer posible la unión de dos o más tributarios en el mismo lugar geométrico. Las características hidrológicas de las subcuencas, usadas en el modelo, se muestran en el Cuadro B-2.

        El área total de la cuenca del Arroyo Alamar es de 138,710 ha, o 1387.1 km2. De esta área, 26,446 ha (19.07 por ciento) corresponden a subcuencas de cabecera, y 112,264 ha (80.93 por ciento) a subcuencas laterales.

        El área tributaria a la presa Morena medida en este estudio es de 30,704 ha, o el 22.14 por ciento de la cuenca total. El área tributaria a la presa Barrett, excluyendo Morena, es de 31,289 ha, o el 22.56 por ciento de la cuenca total; por lo tanto, el área total tributaria a la presa Barrett es de 61,993 ha, o el 44.69 por ciento de la cuenca total. El área de la "cuenca libre," que excluye la de la presa Barrett, es de 76,717 ha. Estos valores se comparan con las áreas reportadas por la ciudad de San Diego: para Morena, 114 millas cuadradas, o 29,513 ha; para Barrett, 134.3 millas cuadradas, o 34,769 ha, excluyendo Morena; y 251.9 millas cuadradas, o 65,214 ha incluyendo Morena. Cabe mencionar que la Comisión Nacional del Agua considera el área de 34,450 ha para la presa Barrett (Comisión Nacional del Agua, 1993).

        Dado el área de la cuenca, se seleccionaron tormentas de diseño de 24 horas de duración para los períodos de retorno de 2, 5, 10, 25, 50 y 100 años. Para cada período de retorno se obtuvo un dato de precipitación de tormenta (cm) en el centroide de cada subcuenca. Se utilizó el método de Gumbel para extender los datos de precipitación más allá de 100 años, hasta 200, 500 y 1000 años. Los resultados se muestran en el Cuadro B-3.

        Los datos de niveles mensuales de las presas Morena y Barrett correspondientes a los períodos de registro (1912-2000 para la presa Morena y 1922-2000 para la presa Barrett) fueron analizados con el fin de determinar el nivel medio mensual (NMMi) para cada mes i del año, del cual se obtuvieron el "nivel medio mensual medio" (NMMmed) y el "nivel medio mensual máximo" (NMMmax). Estos datos se muestran en el Cuadro B-4 y Cuadro B-5 y las Fig. A-2 y Fig. A-3.

        Para la presa Morena, el NMMmax= 122.50 pies y NMMmed= 120.09 pies; para la presa Barrett, el NMMmax= 121.60 pies y NMMmed= 115.42 pies. Estos valores fueron referidos al nivel medio del mar y convertidos al sistema métrico para su utilización en el modelo. Para la presa Morena, el NMMmax= 915.894 m y NMMmed= 915.159 m; para la presa Barrett, el NMMmax= 477.841 m y NMMmed= 475.957 m.

        Los datos de elevación- volumen- gasto vertido para las presas Morena y Barrett fueron proporcionadas por el Departamento de Agua de la ciudad de San Diego. Las elevaciones fueron referidas al nivel medio del mar, y los valores de elevación- volumen- gasto vertido fueron convertidos al sistema métrico para su uso en el modelo. El Cuadro B-6 y el Cuadro B-7 muestran las funciones digitalizadas de elevación- volumen- gasto vertido usadas en la modelación.

        El Cuadro C-1 muestra un cálculo típico del número de la curva, de acuerdo con procedimientos establecidos por el Condado de San Diego (San Diego County, 1985). Los números de la curva calculados para cada subcuenca se muestran en la última columna del Cuadro B-2.

        Las secciones transversales fueron medidas en campañas de trabajo de campo, durante los meses de noviembre y diciembre del 2000. En total se midieron 50 secciones transversales en el condado de San Diego y en los municipios de Tijuana y Tecate. En algunos tramos de difícil acceso, las secciones transversales fueron estimadas de acuerdo a la información cartográfica en cuencas similares vecinas. Las secciones transversales y la pendiente media del lecho del cauce se usan para calcular los parámetros de tránsito por el método Muskingum- Cunge.

        La velocidad de infiltración, en la cual se basa el cálculo de las abstracciones durante el paso de la avenida en arroyos, se estima de acuerdo a experiencias similares y a recomendaciones de los manuales de la práctica de la hidrología. El Manual NEH-4 (USDA SCS National Engineering Handbook 4) recomienda un valor de 0.000007-0.000021 m s-1 (1-3 pulgadas por hora) en mezclas de arena y grava, con pequeño contenido de limos y arcillas (Soil Conservation Service, 1985).

        Como referencia adicional, Matlock (1965) midió velocidades de infiltración en el Río Santa Cruz, en Tucson, Arizona, de cauce seco, de hasta 0.000266 m s-1, con la mayoría de los valores por debajo de 0.000088 m s-1 (Ponce et al., 1986). Para própositos de este estudio, se adoptó un valor medio de 0.000014 m s-1 en los cauces de los arroyos de la cuenca Cottonwood- Alamar.

        El archivo RAINFLO típico, correspondiente al período de retorno de 100 años, se muestra en el Cuadro D-1.


Arroyo Tecate (31403) aguas abajo de Tecate.


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RESULTADOS

        El modelo RAINFLO fue utilizado con el propósito de convertir la precipitación a escurrimiento para la cuenca del Arroyo Cottonwood- Alamar, bajo diversas consideraciones. El intervalo de tiempo (time step) se fijó en 7.5 minutos, considerado lo suficientemente pequeño para resolver numéricamente la tormenta de 24 h de duración. El tiempo de simulación se fijó en 5 días.

        Para el tránsito de avenidas con el método Muskingum- Cunge el número de Courant se controló igual o mayor a 0.5 para asegurar la estabilidad numérica, e igual o menor a 2 para asegurar la convergencia, es decir, la precisión y consistencia con la ecuación de la onda difusiva (Cunge, 1969; Ponce y Simons, 1977; Ponce et al., 1978; Ponce y Theurer, 1982; Ponce, 1989).

        Se hicieron las siguientes corridas con el modelo:

  • Serie A:  Gastos de avenida para períodos de retorno de 2, 5, 10, 25, 50, 100, 200, 500 y 1000 años, especificando el NMMmax como condición inicial en las presas Morena y Barrett.

  • Serie B:   Lo mismo que lo anterior, pero asumiendo infiltración nula en el tramo del proyecto del encauzamiento (numero topológico 40117), con el fin de evaluar el impacto de una posible canalización de concreto sobre la recarga del acuífero y el gasto de diseño.

        Los resultados de la serie A se muestran en el Cuadro B-8. La diferencia entre las líneas 6 y 5, mostrada en la línea 7, corresponde a la contribución local del tramo del proyecto de encauzamiento (40117). La línea 8 muestra el valor de gasto de avenida adoptado, redondeado a la tercera cifra significativa.

        Los hidrogramas de avenidas correspondientes a los períodos de retorno de 2 a 1000 años, aguas arriba y aguas abajo del proyecto de encauzamiento (tramo 40117), se muestran en el Cuadro E-1.

        Los resultados de la serie B se muestran en el Cuadro B-9. De este cuadro se concluye que la avenida media anual, correspondiente al período de retorno de 2 años, alimenta 0.459 hm3 a la napa freática, lo cual constituye el 4.6 por ciento del volumen escurrido durante la avenida. El encauzamiento de concreto convertiría este volumen en escurrimiento, y aumentaría el gasto de avenida en 6 m3 s-1. Valores correspondientes a otros períodos de retorno están indicados en el mismo cuadro.

        En contraste al volumen escurrido durante la avenida, el escurrimiento medio anual del Arroyo Alamar se ha calculado en 65.416 hm3, considerando los aforos de 1979-92 (Comisión Nacional del Agua, 1993). Asimismo, el volumen de agua que se extrae del acuífero en la cuenca del Rio Tijuana en Tijuana, incluyendo El Alamar, es de 13.8 hm3 (Comisión Nacional del Agua, 1997).

        Asumiendo para el escurrimiento medio anual un porcentaje de infiltración conservador del 4.6%, igual al de la avenida media anual (2 años de período de retorno) (Cuadro B-9), la postulada canalización evitaría que un volumen medio anual igual o mayor a 3.01 hm3 alimentara a la napa acuífera. Esta cantidad representa el 22% de los recursos hídricos provenientes del acuífero en toda la región de Tijuana, lo cual es una cantidad considerable.


Wilson Creek (30801) en el cruce con Japatul-Lyons Valley Road.


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CONCLUSIONES

        Las conclusiones de este estudio se muestran en el Cuadro B-8 , específicamente en el renglón 8: "Gasto adoptado." Corresponde a las autoridades técnicas pertinentes seleccionar los períodos de retorno para diseño más apropiados a las condiciones del Arroyo Alamar y sus vecindades. De acuerdo a la normatividad vigente, para la demarcación de zonas federales, la Comisión Nacional del Agua tendrá que seleccionar un período de retorno mayor o igual a 10 años, por lo que el gasto de diseño no podrá ser menor de 680 m3 s-1.

        El Instituto Municipal del Planeación (IMPlan) de la ciudad de Tijuana, previa consulta con las autoridades técnicas pertinentes, deberá seleccionar un período de retorno adecuado para el diseño del proyecto del encauzamiento. La interpretación de la normatividad vigente permite establecer un período de retorno entre 50 y 200 años para zonas agrícolas con poblados, asumiendo la aplicabilidad de un desarrollo de este tipo. Por lo tanto, en este caso el gasto de diseño no podrá ser menor de 1140 m3 s-1, y podría llegar a ser hasta 1420 m3 s-1.


Arroyo San Pablo (20901) en el cruce con la carretera México 2 (cuota).


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BIBLIOGRAFÍA

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Comisión Nacional del Agua, 1993. Cuenca Arroyo El Alamar, Tijuana, B.C., Estudio Hidrológico. Gerencia Estatal de Baja California, Subgerencia de Administración del Agua, Ensenada, B.C.

Comisión Nacional del Agua, 1994. Datos hidrológicos, Arroyo Alamar, Tijuana.. Gerencia Regional de la Península de Baja California, Subgerencia Regional Técnica, Mexicali, B.C.

Comisión Nacional del Agua, 1997. Diagnóstico actual y propuesta de explotación y tratamiento de los pozos de agua potable de la ciudad de Tijuana, Baja California. Despacho Ing. Héctor David Ramírez López.

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U.S. Army Corps of Engineers, 1998. HEC-GeoHMS, Version 1.0 for Arcview Hydrologic Engineering Center, Davis, California.


Horsethief Canyon (20501), tributario de Pine Valley Creek.


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ANEXOS

  • Anexo A

    Figura A-1:  Topología de la cuenca Cottonwood Creek - Arroyo Alamar.

    Figura A-2:  Niveles históricos medios mensuales (medios y máximos) del espejo de agua en el Lago Morena.

    Figura A-3:  Niveles históricos medios mensuales (medios y máximos) del espejo de agua en el Lago Barrett.

  • Anexo B

    Cuadro B-1:  Gastos de avenida (m3 s-1) calculados para la cuenca libre del Arroyo Alamar por métodos estadísticos.

    Cuadro B-2:  Características hidrológicas de las subcuencas.

    Cuadro B-3:  Tormentas (cm) para períodos de retorno de 2 a 1000 años.

    Cuadro B-4:  Niveles históricos (en pies, relativos) en el reservorio Morena a principios del mes indicado.

    Cuadro B-5:  Niveles históricos (en pies, relativos) en el reservorio Barrett a principios del mes indicado.

    Cuadro B-6:  Funciones de elevación - volumen - gasto vertido para el reservorio Morena.

    Cuadro B-7:  Funciones de elevación - volumen - gasto vertido para el reservorio Barrett.

    Cuadro B-8:  Gastos de avenida (m3 s-1) calculados para el Arroyo Alamar por modelación de precipitación-escurrimiento.

    Cuadro B-9:  Gastos de avenida (m3 s-1) calculados para el Arroyo Alamar con y sin infiltración en el tramo del encauzamiento (40117).

  • Anexo C

    Cuadro C-1:  Cálculo del número de la curva para la subcuenca lateral Pine Valley Creek 2 (número topológico 30602).

  • Anexo D

    Cuadro D-1:  Archivo de entrada RAINFLO correspondiente al período de retorno de 100 años.

  • Anexo E

    Cuadro E-1:  Hidrogramas de avenida para el proyecto de encauzamiento.


Confluencia del Arroyo San Pablo (20901) con el Arroyo Tecate (31403).