Abastecimiento de Burgohondo
| Trabajo sobre SIG | |
|---|---|
| Título | Abastecimiento de Burgohondo |
| Autores |
Alejandra Pereira Santos Nerea Gonzalez Rivas Alberto Garcés Rodríguez |
| Asignatura | Sistemas de Información Geográfica Aplicados a la Ingeniería Civil |
| Curso | Curso 16/17 |
| Este artículo ha sido escrito por estudiantes como parte de su evaluación en la asignatura | |
1 Introducción
En el siguiente trabajo vamos a desarrollar las aplicaciones de las herramientas SIG para resolver un problema de abastecimiento de agua potable en un núcleo de población.
Para garantizar el abastecimiento de agua potable es necesario contar con una serie de infraestructuras que satisfagan la demanda, como embalses y conducciones de agua. Estas infraestructuras tienen una intensa relación con el terreno, que influye en su diseño y características. Para la construcción de la presa y la conducción es necesario tener en cuenta la topografía, la geología, y las afecciones que pueden causar las infraestructuras en el territorio que las rodea.
En nuestro caso concreto, se ha de abastecer de agua al municipio de Burgohondo, situado en la provincia de Ávila (España). Este municipio cuenta con una población de 1200 habitantes. En sus inmediaciones se encuentra un río más caudaloso, el Alberche, rodeado de multitud de afluentes de menor caudal. Así, se dispone de varias alternativas cercanas al pueblo donde establecer la presa, por lo que se va a proceder a un análisis detallado del terreno y las posibles soluciones de cara a obtener la óptima.
En este análisis será necesario obtener visualizaciones y datos del terreno, para lo cual nos vamos a valer de las herramientas SIG que conocemos. Así, obtendremos en primer lugar una visualización de la zona, junto con la topografía de la misma, la red hidrográfica y su geología. A partir de estos datos podemos localizar una serie de cerradas donde ubicar nuestras soluciones, calcular las cuencas asociadas a las mismas, obtener las cotas que deben alcanzar nuestras alternativas en cada cerrada para poder satisfacer las necesidades de agua, y estudiar la conducción a realizar hasta el núcleo de población.
2 Metodología
2.1 Situación general
Para situar el núcleo de población de Burgohondo hemos cargado en QGIS las hojas del MTN50 555 y 556 (obtenidas del IGN) correspondientes a la zona de estudio. Hemos digitalizado el municipio de Burgohondo creando una capa vectorial de polígonos para ello. También hemos identificado las zonas de la Sierra de la Paramera y Serrota y el río Alberche.
2.2 Localización y estudio de las cerradas
Con las hojas 555 y 556 del formato MDT05 (obtenidas del IGN) hemos obtenido las curvas de nivel mediante la herramienta de extracción de curvas de nivel de una capa ráster con el fin de localizar 7 posibles cerradas que permitan el encaje de la presa para resolver el problema.
Además, nos hemos servido de los datos de la red hidrográfica de Ávila (capa vectorial procedente del portal de Datos Abiertos de la Junta de Castilla y León) para localizar aquellos ríos más adecuados para abastecer al municipio.
Se ha elegido una serie de posibles emplazamientos (cerradas), representadas mediante segmentos dibujados en una capa vectorial de líneas e identificadas mediante anotaciones de texto.
A fin de estudiar la geología del terreno para detectar posibles problemas en la cimentación de la presa, hemos cargado las hojas 555 y 556 del MAGNA50 procedentes del IGME junto con la capa vectorial que contiene las localizaciones de las cerradas.
Para estudiar las posibles afecciones al situar una presa en estas cerradas hemos creado una capa vectorial para digitalizar tanto las vías de comunicación como las edificaciones o municipios susceptibles de verse afectados. Tras cargar una capa shape de la Red Natura 2000 de Castilla y León donde aparecen 2 LICs (Lugar de Importancia Comunitaria) próximos a nuestro municipio, hemos identificado 3 zonas de afección sobre el terreno.
2.3 Obtención de cuencas
Para obtener las cuencas correspondientes a las cerradas hemos empleado 2 procesos diferentes (manualmente y mediante GRASS) debido a que las herramientas para el cálculo de cuencas no nos permiten obtenerlas en los puntos concretos donde se hallan las cerradas. El tamaño de las cuencas calculadas mediante GRASS corresponde a la cuenca completa del río, mientras que el tamaño que nosotros necesitamos depende de la altura del río a la que situemos la presa. Además, algunas de las cuencas coinciden con la línea de unión de dos hojas del MDT, por lo que los resultados obtenidos no son precisos. Por esto, digitalizaremos primero las cuencas manualmente siguiendo las curvas de nivel del terreno, y posteriormente comprobaremos si coinciden con las cuencas generadas mediante GRASS.
En el primer proceso, hemos digitalizado el área de las cuencas observando el terreno y trazando los polígonos correspondientes a las mismas en diferentes capas para lograr diferentes estilos (colores). Para obtener la superficie de las cuencas, en la tabla de atributos de la capa hemos creado un nuevo campo con la expresión $area/1000000 para obtener la medición en km2. Mediante la herramienta de gestión de datos Combinar capas vectoriales hemos unificado todas las capas de las cuencas. Por último, para visualizar el valor de la superficie de cada una de las cuencas hemos activado las etiquetas de dicha capa.
De forma alternativa, hemos obtenido las cuencas hidrográficas utilizando GRASS. Para ello, hemos importado la capa MDT05 de la hoja 556 a QGIS, creado un nuevo directorio de mapas para trabajar en él, e importado la capa ráster cargada a GRASS mediante el módulo r.in.gdal.qgis. Tras corregir el encuadre de la región y los tamaños de celda, mediante el módulo r.watershed (que nos permite elegir el tamaño mínimo de cuenca adaptándolo al orden de magnitud previsto de nuestras soluciones) generamos las cuencas deseadas, y repetimos el proceso para la hoja 555.
Se pueden comparar las cuencas obtenidas a través de ambos procesos, comprobando que los límites de las obtenidas manualmente coinciden -con un leve error- con los límites de las obtenidas mediante GRASS.
2.4 Trazado previo de conducciones
Para poder seleccionar las dos cerradas más adecuadas, es necesario tener en cuenta el coste de la tubería, el cual depende fundamentalmente de su longitud. Para estimar dicho coste hemos digitalizado un trazado previo de las conducciones desde las distintas cerradas hasta la cota en la que debe situarse el depósito de agua para poder efectuar el abastecimiento por gravedad.
A fin de representar las ubicaciones de los depósitos, hemos guardado como capa independiente la línea de nivel a cota 954 (cota mínima a la que deben situarse), digitalizando sobre ella mediante puntos la ubicación de los depósitos considerados.
2.5 Materiales disponibles en la zona
Estudiando los condicionantes expuestos en los puntos anteriores se seleccionan como alternativas más adecuadas las cerradas A y C, siendo éstas el objeto de estudio de ahora en adelante.
Con objeto de elegir la tipología más adecuada de las presas (presa de materiales sueltos o presa de gravedad), es necesario estudiar los materiales disponibles en el entorno de las cerradas. Mediante la incorporación de cuatro hojas de planos geológicos del MAGNA 50 de los alrededores de la zona, hemos digitalizado en diferentes capas vectoriales aquellos materiales susceptibles de ser empleados para construir ambas tipologías.
Tras un estudio de costes e impactos ambientales, la opción más adecuada es construir las presas de gravedad con áridos procedentes de la zona de granodiorita.
2.6 Obtención de superficie embalsada
De igual forma que en el apartado 2.3, hemos obtenido la superficie embalsada mediante dos procesos. En primer lugar, cambiando el estilo (color) de la capa de MDT hemos obtenido la superficie de llenado de nuestros embalses (asignando un color a aquellos valores inferiores a la cota de llenado). Empleando la herramienta de extracción Clipper, hemos recortado las zonas donde se sitúan nuestros embalses.
Alternativamente, se pueden obtener resultados similares empleando el módulo r.lake.seed sobre la capa previamente importada a GRASS. Con ello obtenemos la visualización de la lámina de agua si inundáramos toda la hoja hasta esa cota, pudiendo observar la superficie embalsada si hacemos zoom en detalle sobre las zonas de las cerradas.
- Superficies embalsadas obtenidas mediante GRASS con simulación de inundación
Inundación hasta cota de llenado de la cerrada A
Inundación hasta cota de llenado de la cerrada C
2.7 Estudio de conducciones
Hemos ajustado al terreno el trazado previo definido en el apartado 2.4 en las cerradas seleccionadas, elaborando varios trazados alternativos para cada una de ellas. Aplicando la herramienta Terrain Profile sobre la capa MDT, hemos obtenido el perfil longitudinal de cada una de las conducciones, lo que nos permite estudiar los requerimientos técnicos de cada una de ellas.
- Conducciones desde la cerrada A
Alternativas de trazado
Perfil longitudinal
- Conducciones desde la cerrada C
Alternativas de trazado
Perfil longitudinal
2.8 Pantalla de impermeabilización
Una vez elegida la cerrada definitiva (la alternativa A) y dimensionada la presa, será necesario realizar una pantalla de impermeabilización para evitar posibles filtraciones por las diaclasas del terreno. A fin de distribuir los puntos de inyección de forma uniforme alrededor de la presa, se puede utilizar la herramienta Buffer para crear la zona de impermeabilización alrededor del cuerpo de la presa de gravedad, separada una cierta distancia previamente calculada.
3 Resultados
Los resultados tras realizar el presente trabajo son los siguientes:
1. Mapa de situación general: en este plano se puede observar perfectamente la orografía de la zona con las líneas de nivel del mapa MTN50 de las hojas 555 y 556 del Instituto Geográfico Nacional. En él hemos podido delimitar el municipio de Burgohondo, y al cargar la red hidrográfica que hemos obtenido de los datos abiertos de la Junta de Castilla y León podemos observar claramente los ríos cercanos en los que podemos situar nuestras cerradas. A priori se localiza un río bastante caudaloso por su grosor de línea respecto del resto: el río Alberche. El cambio de grosor de línea entre los ríos según su importancia, tamaño y caudal, nos permite descartar aquellos que consideramos que tendrán una aportación excesiva para la demanda de agua que hemos calculado de nuestro municipio.
2. Mapa topográfico con la red hidrográfica y las posibles cerradas: al sacar las curvas de nivel del MDT05 de las hojas 555 y 556 (del IGN) podemos observar con mayor calidad y precisión la orografía del terreno, que, estudiada conjuntamente con la red hidrográfica cargada en el programa, nos ha facilitado la localización de las 7 cerradas que vamos a estudiar. Al obtener también el municipio de Burgohondo digitalizado en una capa vectorial, hemos identificado con mayor facilidad la posición de las cerradas respecto del municipio a abastecer.
3. Mapa geológico: gracias a los planos del MAGNA50 de las hojas 555 y 556 superpuestas con las cerradas anteriormente digitalizadas hemos podido identificar con mayor precisión la geología de nuestra zona, tanto la del eje de la presa como la de su vaso, donde se embalsará el agua. La geología en ambas es muy importante debido a que el terreno en torno al eje de la presa debe ser capaz de soportar las solicitaciones de la misma, y el vaso debe tener un cierto grado de impermeabilidad para evitar posibles filtraciones que produzcan pérdidas del agua embalsada.
4. Mapa de afecciones: a la hora de estudiar las posibles afecciones de cada una de las cerradas, este plano ha sido de gran utilidad. Cuando hemos cargado el archivo shape que contiene los Lugares de Interés Comunitario (LIC) y lo hemos superpuesto con nuestras cerradas, hemos podido visualizar qué zonas protegidas se ven afectadas por las cerradas propuestas. Además, hemos añadido nuestra propia digitalización de aquellas vías y edificaciones que se verían afectadas con las presas. Como hemos podido observar, las alternativas que menos perjudican a edificaciones, viario o zonas protegidas son las cerradas C, D y G.
5. Mapa de cuencas digitalizadas manualmente: en el cálculo de la superficie de aportación de cada cerrada hemos obtenido un mapa digitalizando las cuencas. La tabla de atributos y las etiquetas nos han permitido obtener el área de las mismas al imprimir el plano, pudiendo realizar una comparación de los tamaños de cada una de ellas. Al calcular la aportación en función de ese área, hemos comparado también el ratio obtenido al dividir la aportación entre la demanda, descartando todas aquellas cerradas que tengan un ratio A/D menor de la unidad. Con ello, hemos podido descartar la solución G por no aportar el agua suficiente para satisfacer la demanda del municipio.
6. Mapa de cuencas de GRASS: la obtención de este mapa, superponiendo nuestras cerradas ya digitalizadas, nos ha permitido analizar el grado de aproximación que hemos tenido a los límites reales de las cuencas, viendo que nuestra digitalización resulta muy adecuada.
7. Mapa del trazado previo de las conducciones: con las cerradas y sus cuencas, hemos digitalizado las alternativas de los trazados de las conducciones de cada una de ellas, llegando todas hasta la misma cota exigida. Este nivel mínimo para la situación de los depósitos se ha calculado para permitir el abastecimiento por gravedad desde todas las cerradas. Gracias a la superposición de los mapas MTN25 y la capa de cerradas hemos podido observar qué trazados eran los más adecuados, a priori, para cada cerrada. Después hemos realizado un estudio comparativo de todas nuestras alternativas, estableciendo que las cerradas A y C son las más adecuadas para nuestro objetivo. Ambas son las cerradas que seguiremos estudiando a partir de aquí.
8. Mapa de materiales disponibles: un punto a tener en cuenta para la elección de la tipología de la presa (de gravedad o de materiales sueltos) es la disponibilidad de los materiales para cada una de ellas. En el caso de la presa de hormigón, hemos localizado la zona de la que podemos extraer el árido para el hormigón, cuyo volumen será de aproximadamente el 80% del volumen de la presa. Para la de materiales sueltos, usaremos escollera para espaldones, obtenida por voladura de la granodiorita; gravas y gravillas para espaldones o para la zona de transición, obtenidas de un yacimiento en el norte (Mironcillo, Ávila); arena para filtros, en la zona de Navalacruz; y material arcillo-arenoso para el núcleo, situado en varios yacimientos entre Burgohondo y Navalmoral.
9. Llenado de embalses: tras realizar un estudio del volumen de agua embalsada necesaria para abastecer el municipio a partir de la serie de aportaciones de las cerradas y del volumen de sedimentos que nos aportará el río por la circulación del agua, hemos obtenido el nivel máximo de embalse de las cerradas A y C. Conociendo este nivel, hemos podido ver el resultado de la lámina de agua en el Nivel Máximo Normal (NMN) tras realizar el llenado de embalse, tanto de forma manual como con GRASS.
10. Mapas de conducciones de las cerradas A y C: hemos estudiado individualmente los trazados de A y C redibujados a partir de los trazados previos considerados. Analizando la longitud de la conducción, las zonas que se ven afectadas por la misma, el perfil longitudinal del terreno (analizados en el siguiente punto), el número de cruces de ríos, arroyos, viario y zonas con edificaciones, hemos elegido una conducción de cada cerrada. En el caso de la cerrada A se ha elegido la alternativa este, de menor longitud y menor grado de afección a la hora de realizarla, así como de mejor orografía. En el caso de la cerrada C, se ha elegido la alternativa sur 2, que es el trazado más corto y con mejor orografía de las tres alternativas estudiadas.
11. Perfiles longitudinales de las conducciones: el perfil del terreno es un punto fundamental para decantarnos por una u otra cerrada, debido a que, según sea éste, será preciso dividir la conducción en uno o más tramos que permitan el correcto funcionamiento hidráulico del abastecimiento a través de la tubería. Cada tramo necesitará un diámetro diferente, que corresponderá a una determinada longitud de la conducción. Así, cuanto más accidentado sea el perfil, mayor número de tramos tendremos, lo que encarecerá la conducción al precisar cambios constantes de diámetro en la misma.
12. Plano de planta de la presa de gravedad: después de haber realizado otro estudio comparativo entre las cerradas A y C en base a sus afecciones, conducción, volumen de material necesario y coste total de su ejecución, hemos elegido realizar una presa de gravedad en la cerrada A. Para establecer el área a impermeabilizar con los taladros de lechada y cemento, hemos situado una red de taladros con paso de malla de 3 metros a través de un buffer de 6 metros sobre la digitalización de la presa de gravedad. Gracias al buffer, podemos obtener el área del terreno a impermeabilizar, pudiendo establecer el número de taladros necesarios y su coste.
13. Plano general de la cerrada A: a fin de observar en un único plano el resultado del trabajo realizado, hemos recopilado todas las capas finales que permiten visualizar la solución final de la presa, su embalse y la conducción elegidos.
4 Conclusiones
El empleo del programa QGIS para resolver nuestro problema de abastecimiento a la localidad de Burgohondo ha sido de gran utilidad, dado que nos ha permitido trabajar fácilmente con el terreno y calcular las áreas y volúmenes necesarios para realizar el estudio de regulación. Al permitirnos crear capas vectoriales, hemos podido digitalizar infinidad de áreas y regiones de gran interés para nuestro proyecto.
Sin embargo, aunque QGIS permite obtener gran cantidad de resultados, algunos procesos podrían optimizarse para mejorar su rendimiento. Por ejemplo, el recorte de capas ráster con la herramienta Clipper sólo permite recortar áreas con formas rectangulares paralelas a los ejes norte-sur y este-oeste, por lo que sería muy útil poder girar la zona de recorte o incluso adaptarla a formas no geométricas.
Por otro lado, el módulo r.lake.seed de la herramienta de Grass sólo nos permite inundar zonas del terreno eligiendo sólo la cota superior del llenado, por lo que inunda todo el terreno por completo hasta la cota más baja existente. Sería muy útil que el programa permitiese también elegir una cota mínima de llenado, así como delimitar la zona de llenado, puesto que en nuestro caso, no nos ajustaba el llenado hasta la cerrada sino que iba más allá.
Además, el uso de la herramienta de GRASS es algo farragosa, puesto que para alternar entre QGIS y GRASS es necesario exportar e importar constantemente las capas de una herramienta a la otra. Quizás podría simplificarse el manejo del programa si se unificasen los procesos.
El cálculo de cuencas de GRASS no resulta intuitivo, y preferiríamos que el tamaño mínimo de cuenca que piden introducir fuese un valor en unidades de superficie, y no un número mínimo de celdas, puesto que dificulta bastante los cálculos a realizar. Asimismo, para poder extraer las cuencas de las dos hojas del MDT05 cargadas, tuvimos que dividir el proceso en Grass en dos partes, una primera obtención de las cuencas de la hoja 556, y una segunda obtención de las cuencas 555, dado que las regiones seleccionadas de GRASS sólo nos permitían trabajar con una de las dos hojas de cada vez. Quizás sería conveniente poder unir o combinar las hojas para facilitar el proceso, además de evitar tener que decidir el tamaño de las celdas de la región, puesto que en ocasiones se nos ha olvidado cambiarlo y podría hacerse de manera automática al incorporar la capa.
Hemos encontrado también problemas a la hora de trabajar con dos hojas del MDT05 conjuntas, puesto que la extracción de curvas de nivel no se realiza de manera conjunta y se extraen las curvas de cada capa de manera individual. Este problema dificulta la obtención de un perfil del terreno, habiendo sido necesario cargar la hoja del MDT200 para cubrir toda la zona a perfilar.
Las etiquetas asociadas a las capas vectoriales han supuesto algún inconveniente en alguna ocasión, puesto que no hemos encontrado la forma de mover las etiquetas individualmente, sino que se sitúan en el mapa predeterminadamente. Así, cuando varias etiquetas se superponen, acaba por desaparecer una de ellas, dificultando la tarea de etiquetar las capas deseadas. Por este motivo, en algún caso hemos preferido emplear las anotaciones de texto que ofrece QGIS. Sin embargo, estas anotaciones no se almacenan en ninguna capa del programa, y para editarlas es necesario seleccionarlas una por una y se complica la tarea de etiquetar los elementos. Además, si se quieren ocultar dichas anotaciones, no queda más remedio que eliminarlas, y si se desean obtener de nuevo deben ser introducidas manualmente una a una.
Por otro lado, ejecutando el comando Buffer nos habría gustado que ofreciese la posibilidad de delimitar hacia qué lado quieres que se dibuje el buffer, puesto que se dibuja en todas las direcciones del mapa.
En cuanto al diseñador de impresión, aunque permite una gran cantidad de variaciones del formato, echamos en falta poder combinar varios planos en un solo diseñador con diferentes capas. Aunque es posible crear trazar varios mapas en el mismo diseñador, todos los mapas requieren tener activadas las mismas capas, siendo imposible crear un mapa con una capa “equis” activada pero que el mapa contiguo trazado tenga dicha capa desactivada. Se actualizan simultáneamente ambos planos, y en algunos casos nos habría sido de gran utilidad esta opción.
Atendiendo a los SRC, nos han complicado la realización del trabajo en algunas ocasiones puesto que al intentar unificar todas capas cargadas en el SRC 25830, la capa de geología del MAGNA 50 se cargaba con un SRC diferente que, al cambiar manualmente a nuestro SRC elegido, se movía de la zona de estudio incomprensiblemente.
Por otra parte, los atributos de las capas vectoriales tampoco presentan un manejo sencillo, puesto que las expresiones de Geometría y otros campos que se deseen calcular no resultan intuitivos de escribir o seleccionar. Además, si al crear una capa de curvas de nivel olvidabas seleccionar el atributo “ALT” (cota), una vez creada la capa éramos incapaces de calcular ese atributo de otra forma que no fuese crear de nuevo la capa en cuestión. Echamos en falta la posibilidad de deshacer algunas acciones ejecutadas, dado que en muchas ocasiones nos hemos equivocado ejecutando algún comando y habría sido mucho más útil deshacer el error cometido.
En cuanto a la búsqueda de datos en formato shape o raster para poder importarlos al programa, en algunos casos nos ha dado problemas la descarga de estos archivos puesto que, o bien la versión de QGIS empleada no aceptaba el archivo, o bien el SRC que se cargaba no coincidía con el que queríamos (por más que lo intentásemos). Nos resultó muy útil el portal de datos IDE de la Junta de Castilla y León para poder descargar la red hidrográfica de Ávila, pero no nos resultó muy intuitiva la descarga de estos archivos, y en algunos casos estaban desactualizados o nos daban error. Quizá se podría crear un portal que unificase este tipo de capas con el fin de localizarlas con mayor facilidad, como ocurre con las capas del IGN o del IGME.
En general, nos ha resultado muy útil aprender a usar este programa porque hemos conseguido resolver el problema de abastecimiento de una forma mucho más cómoda que empleando otro software o visores de internet. No obstante, debido a los problemas que hemos encontrado, creemos que el programa QGIS aún puede mejorarse en ciertos aspectos a fin de simplificar el manejo y acercar esta herramienta a los estudiantes de una manera rápida e intuitiva. Gracias a las clases recibidas de SIG y apoyándonos en el manual de la asignatura, hemos logrado resolver gran cantidad de obstáculos que hemos ido encontrando en la resolución del problema, obteniendo unos resultados satisfactorios y presentados con buena calidad.
