Evaluación de la evolución geomorfológica mediante modelación hidráulica y sedimentológica del torrente de San Miguel, Mallorca (Islas Baleares)

Abstract

[ES] El objetivo del presente TFM es evaluar la evolución morfológica de un cauce aluvial, entendiéndose como tal los procesos de erosión y deposición que generan cambios en dicho cauce, tanto a nivel de sección transversal, como de perfil longitudinal. Para ello, se emplea modelación hidráulica de lecho móvil, en un modelo calibrado a partir de datos asociados a eventos extraordinarios previamente registrados.

El modelo escogido para llevar a cabo la simulación hidráulica es HEC-RAS, desarrollado por el USACE (Cuerpo de Ingenieros Civiles de Estados Unidos, por sus siglas en inglés). Se trata de un modelo suficientemente sancionado por la práctica, de uso extendido a nivel mundial para el estudio de problemas relacionados con la dinámica fluvial en cauces y redes fluviales. Incluye modelación hidráulica uni y bidimensional, en régimen estacionario y transitorio, y en condiciones tanto de contornos fijos como de lecho móvil. Este modelo dispone de un módulo de transporte de sedimentos y lecho móvil, que incluye las principales formulaciones existentes para la evaluación del caudal sólido, tanto transporte en suspensión como carga de lecho, siendo este último el principal responsable de los cambios geomorfológicos en un cauce aluvial.

El caso de estudio es el torrente de San Miguel, en Mallorca. El tramo estudiado es de aproximadamente 7 km, situado entre dos estaciones de aforo, que está parcialmente encauzado, ya que las márgenes son de muro de mampostería u hormigón, mientras que el lecho es de material aluvial. Los datos de los que se dispone para realizar el estudio (construcción y calibración) son: topografía pre y post evento, datos hidrológicos, datos hidráulicos y sedimentológicos registrados en las estaciones de aforo (niveles de agua, curvas de gasto de la estación y caudal sólido en suspensión), datos históricos de eventos extremos y granulometrías del lecho. La metodología empleada consiste en partir de un modelo de la situación pre evento, y simular el suceso hidrológico con las condiciones adecuadas, tanto iniciales como de contorno, obteniendo la morfología final (con las zonas de erosión y deposición). Mediante la comparación de este resultado con los datos topográficos disponibles de la situación post evento, se pretende calibrar los parámetros del módulo de transporte de sedimentos como carga de lecho. Además, también se simulará el transporte en suspensión, para comparar con los datos tomados en campo.

Existe la posibilidad de recopilar información sobre un evento reciente, lo que podría permitir además la validación del modelo calibrado.

Los resultados obtenidos se analizarán desde distintos puntos de vista. En primer lugar, se estudiarán los cambios en la capacidad hidráulica del cauce, debido principalmente a la acumulación de material proveniente de la parte alta de la cuenca, lo que reduce la sección hidráulica de paso. Con el modelo, se podrán identificar los puntos de inicio de desbordamiento, para detectar zonas vulnerables a la inundación fluvial. En segundo lugar, se estudiarán los procesos de erosión local en el entorno de las principales estructuras del tramo, entre las que se incluye el puente de una autovía.

[CA] El present estudi va tindre com a objectiu avaluar l'evolució geomorfològica del llit del torrent de Sant Miquel, Mallorca, tant a nivell de secció transversal com de perfil longitudinal després del pas d'una avinguda a través de modelació hidràulica i sedimentològica. El model triat per a dur a terme la simulació hidràulica va ser HEC-RAS 5.0.5, desenrotllat per l'USACE (Cos d'Enginyers Civils dels Estats Units, per les seues sigles en anglés). El qual, es tracta d'un model prou sancionat per la pràctica, d'ús estés a nivell mundial per a l'estudi de problemes relacionats amb la dinàmica fluvial en llits i xarxes fluvials. Abans de realització de la modelació hidràulica i sedimentològica, hi ha un gran marc teòric que es va haver de revisar sobre la geomorfologia fluvial, els processos d'erosió, transport i sedimentació i les formulacions existents per al seu càlcul. El tram estudiat del torrent Sant Miquel correspon a aproximadament 7 quilòmetres, situat entre dos estacions d'aforament, que està parcialment canalitzat lateralment, ja que els marges són de mur de pedra seca o formigó, mentres que, el llit és de material al·luvial excepte alguns trams. Les dades amb el que es va comptar per a realitzar l'estudi (construcció i calibratge) van ser: topografia de pre esdeveniment observada (2014) i post esdeveniment observada (2019), dades hidrològiques, dades hidràulics registrats en les estacions d'aforament (nivells d'aigua, dades històriques d'esdeveniments extrems i la granulometría del llit). Els quals van ser proporcionats pel grup d'investigació de la Universitat de les Illes Balears, el Laboratori d'Hidràulica i Medi Ambient de la Universitat Politècnica de València i a través d'un estudi previ denominat “Análisis de la Perillositat d'Inundació de Sa Pobla per Desbordament dels torrents de Sant Miquel i Búger, Mallorca (Illes Balears)” (Chacha, 2019). La metodologia empleada va consistir en el fet que a partir d'un model hidràulic unidimensional calibrat (que va considerar una topografia observada del 2014), es va simular el transport de sediments, per a un esdeveniment observat (hidrograma de cabals 2017). Amb les condicions adequades, tant inicials com de contorn, s'ha obtingut la morfologia final del torrent (topografia simulada). Per mitjà de la comparació d'este resultat amb les dades topogràfiques de post esdeveniment observats (topografia 2019), es va calibrar el model sedimentològic. Finalment, els resultats obtinguts amb el model calibrat, van demostrar que després del pas de l'esdeveniment, la geomorfologia del llit ha sigut modificada (erosió i sedimentació). Açò, s'ha pogut observar a través de la comparació dels perfils longitudinals i a través de les formes en el llit.

[EN] The objective of the present study Thesis was to evaluate the geomorphological evolution of the San Miguel torrent, Mallorca, both at the cross-sectional and longitudinal profile levels after the passage of an avenue through hydraulic and sedimentological modeling. The model chosen to carry out a hydraulic simulation was HEC-RAS 5.0.5, developed by the USACE (Corps of Civil Engineers of the United States, for its acronym in English). Which, is a model sufficiently sanctioned by practice, extends worldwide for the study of problems related to fluvial dynamics in river channels and networks. Before carrying out hydraulic and sedimentological modeling, there is a large theoretical framework that must be informed about fluvial geomorphology, erosion processes, transport and sedimentation and current formulations for its calculation. The studied section of the San Miguel torrent corresponds approximately to 7 kilometers, located between two service stations, which is partially covered, laterally, since the margins are made of dry stone or concrete, while the bed is of alluvial material except some stretches The data that was counted to perform the study (construction and calibration) were: topography, pre-event observation (2014) and post-event observation (2019), hydrological data, hydraulic data at the gauging stations (water levels, historical data of extreme events and the granulometries of the bed). Which were provided by the research team of the University of the Balearic Islands, the Laboratory of Hydraulics and Environment of the Polytechnic University of Valencia and and through a previous study called "Analysis of the Flood Hazard of Sa Pobla by Overflow of the torrents of San Miguel and Búger, Mallorca (Balearic Islands) "(Chacha, 2019). The methodology used consisted of a calibrated one-dimensional hydraulic model (which considered the observed topography of 2014), which simulated the transport of sediments, for an event (flow hydrograph 2017). With the appropriate conditions, both the initial and the contour, the final morphology of the torrent has been obtained (simulated topography). By comparing this result with topographic data of the post observed event (topography 2019), the sedimentological model was calibrated. Finally, the results obtained with the calibrated model showed that after the passage of the event, the geomorphology of the channel has been modified (erosion and sedimentation). This has been observed through the comparison of the longitudinal profiles and through the shapes of the bed.