Y ahora, ¿cómo calculamos el umbral de escorrentía?

El 10 de marzo de 2016 se publica en el BOE la norma 5.2-IC que sustituye a la Instrucción 5.2-IC de drenaje superficial de carreteras. En ambas normas el procedimiento del cálculo del umbral de escorrentía se basaba en métodos hidrometeorológicos, es decir en obtener la escorrentía dependiendo de la precipitación acumulada que generaran los aguaceros.

También en ambas publicaciones para la obtención de la parte de lluvia que llegaba a formar escorrentía se empleaban conceptos como el coeficiente de escorrentía, es decir el porcentaje de lluvia que pasa a ser escorrentía partiendo de datos geomorfológicos de la cuenca receptora: la superficie de la cuenca, la pendiente y la textura del terreno tanto geológica como edafológica.

Para determinar la importancia de la textura del terreno en la escorrentía se emplea un concepto denominado umbral de escorrentía.

En este post veremos la variación en la sistemática del cálculo del umbral de escorrentía, aplicando las novedades de la nueva norma 5.2-IC.

Revisión del concepto umbral de escorrentía

Este concepto que todo el mundo puede entender por tratarse de un fenómeno físico, se encuentra definido en algunos casos de la siguiente manera: “El umbral de escorrentía es la precipitación a partir de la que el terreno no es capaz de infiltrar más agua y esta discurre sobre la superficie en un flujo difuso”. En realidad no es exactamente este el concepto sino que requiere una matización ya que el umbral de escorrentía es la precipitación acumulada a partir de la cual se produce escorrentía.

Casi es lo mismo pero la matización estriba en que el terreno sigue infiltrando dependiendo de sus características geomorfológicas y se sigue produciendo evapotranspiración, pero la cantidad de lluvia es tal que empieza a discurrir sobre la superficie.

De hecho, “nuestro” umbral de escorrentía corresponde a lo que el NRCS (Natural Resources Conservation Service), antiguo SCS, denominaba “absorción inicial”.

Esta absorción inicial se estimaba, si no se disponía de otros datos, como un 20% de la absorción total del suelo.

Coeficiente de escorrentía

El coeficiente de escorrentía se obtiene en la nueva norma mediante la fórmula siguiente:

Donde, P_d es la precipitación máxima diaria en mm (l/m²), K_A es un coeficiente corrector de la precipitación y P₀ es el umbral de escorrentía en mm (l/m²) que obtendremos a partir de las tablas correspondientes de la instrucción.

Tal como hemos indicado, el umbral de escorrentía quiere ser un concepto físico que reflejaría la cantidad de precipitación necesaria para que comience a formarse escorrentía y se trata de un valor acumulado desde el inicio de la lluvia, por ese motivo, el coeficiente de escorrentía es nulo cuando la precipitación, en este caso diaria, afectada por su coeficiente, no supera al valor P0 del umbral de escorrentía.

La expresión del umbral de escorrentía también tiene su factor modificador, de forma que se obtiene según la fórmula siguiente:

Donde Pⁱ₀  es el umbral inicial de escorrentía y β el coeficiente que modifica el umbral.

El umbral de escorrentía depende del tipo o grupo de suelo, en virtud de su permeabilidad; del uso del suelo; de la alineación de los cultivos y de la pendiente.

Respecto a la obtención de los umbrales de escorrentía iniciales a partir de los grupos de suelo, usos, alineación de cultivos y pendientes, la Instrucción emplea, de forma similar a las tablas del número de curva del SCS-NRCS (USA) unas las tablas adaptadas de Corine Land Cover 2000 (proyecto que ha creado una base de datos sobre la cobertura y uso del territorio en la unión europea) mejoradas para España con los datos del Mapa Forestal 2005.

A continuación se muestran las tablas empleadas para la obtención del umbral de escorrentía inicial:

En España, tal como recomienda el pliego IGP-2-1 de ADIF para proyectos de plataforma de ferrocarriles, las estimaciones del tipo de suelo pueden realizarse a partir de las Hojas 1:50000 del Mapa del Instituto Geológico y Minero, mientras que para los usos del suelo la información se puede obtener de los Mapas de Cultivos y Aprovechamiento del suelo del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación.

Para las pendientes del terreno en las cuencas del proyecto se utilizará el mapa generado a partir del modelo digital del terreno del Servicio Geográfico del Ejército.

Dicha información debe complementarse con el análisis de fotografías aéreas, y sobre todo con los resultados experimentales en diversas cuencas aforadas, que implícitamente tienen en cuenta las condiciones representativas de la humedad inicial y pueden indicar la tendencia de los valores del umbral P₀ hacia un valor central.

El coeficiente corrector del umbral de escorrentía

Los valores medios del umbral de escorrentía dependen del tipo de suelo base y se ven afectados por un coeficiente amplificador que depende de la zona, del período de retorno de diseño y de la tipología del drenaje.

Este coeficiente contiene una novedad importante en cuanto a su obtención ya que se modifica teniendo en cuenta, también, el período de retorno del aguacero de diseño.

Cuando se disponga de datos calibrados, lo cual es casi imposible salvo que sean datos suministrados por la Administración Hidrológica, el coeficiente corrector a emplear será directamente el obtenido. En otro caso debemos de hacer también otra distinción en cuanto al elemento de drenaje dimensionado:

Si se trata de drenaje de plataforma y márgenes o drenaje transversal de vías de servicio, caminos o ramales, se emplea el factor corrector siguiente:

 En caso de obras de drenaje transversal o puentes de carreteras se empleará:

Donde

b ^PM es el factor corrector en márgenes y vías de servicio

b ^DT es el factor corrector en drenaje transversal y puentes

b _m es el factor corrector medio de la región según Mapa de caracterización

D₅₀ es el valor de la desviación respecto del valor medio para intervalo de confianza 50%

F_T es un factor función del período de retorno

Para obtener estos factores correctores empleamos las tablas y gráficos de la Norma 5.2-IC que se presentan a continuación.

Algunas consideraciones sobre la metodología de la nueva Norma

Aunque la aplicación práctica de la obtención del Umbral de escorrentía en la nueva Norma no sea complicada, el empleo constante de coeficientes correctores provoca la sensación de que la filosofía de lo que debe de ser la obtención de un parámetro para obtener un dato que finalmente nos permita dimensionar un drenaje, queda difuminada.

Del mismo modo, la libertad para escoger un nivel de confianza u otro en un parámetro que resulta decisivo para la obtención del caudal de diseño de una estructura, no parece operativo y debería de quedar fijado a priori.

Y la aplicación a regiones dificulta la extensión de esta técnica más allá de la España Peninsular (en el Mapa no entra la España Insular) o en las zonas fronterizas entre regiones, dado que la variación de algunos parámetros es muy importante.

Se puede apreciar el gran trabajo realizado por las administraciones hidrológicas para lograr un alto rigor en la obtención de estos parámetros y se supone que la constancia en la aplicación del método irá resolviendo algunas dudas que se puedan generar.

Autor: Víctro Flórez, profesor del Máster en Diseño, Construcción y Explotación de Obras Hidráulicas