Metodología de diseño y análisis de canales de drenaje basado en probabilidad de falla y escenarios prospectivos no estacionarios en cuencas urbanas consolidadas

Abstract

Esta investigación se orienta en proponer una metodología alternativa de diseño hidrológico e hidráulico para fortalecer el enfoque convencional de diseño de canales de drenaje para cuencas urbanas adoptado en el RAS. Los criterios de diseño del RAS se basan en enfoques determinísticos donde no se considera la incertidumbre de las variables aleatoria; sin embargo, un sistema está expuesto a interacciones físicas aleatorias que no son constantes en el tiempo, por lo tanto, en esta investigación se propone una metodología de diseño para dimensionar canales a partir del análisis de incertidumbre y la probabilidad de falla. Se identificaron las variables que tienen características aleatorias en los modelos utilizados para el diseño de canales. La incertidumbre de las variables aleatorias seleccionadas, P, CN y n, fue representada mediante los límites de confianza de las distribuciones de probabilidad Gumbel y normal, beta y gamma, respectivamente. Se utilizó la simulación de Monte Carlo para generar eventos aleatorios y estimar la probabilidad de falla de canales de drenaje en términos de las variables hidráulicas de profundidad de diseño y velocidad máxima permitida para escenarios sintéticos de resistencia. La metodología de diseño propuesta se aplicó para el caso de estudio de una cuenca urbana en la ciudad de Barranquilla, donde se estimó la probabilidad de falla de un de canal dimensionado con enfoque convencional para las condiciones actuales de la cuenca. Con base en los resultados, se determinaron las dimensiones adecuadas para la profundidad de diseño y borde libre, a partir de la consideración de la incertidumbre asociada al diseño hidráulico, la operación y a las condiciones prospectivas de cambio en la cuenca y el canal. Finalmente, se evaluó la probabilidad de falla para escenarios hipotéticos de operación de canales de drenaje bajo condiciones estacionarias y no estacionarias en condición de cuenca y rugosidad. Los resultados de esta investigación demuestran que la probabilidad de falla anual de un sistema, cuando se considera incertidumbre, es significativamente mayor que probabilidad de excedencia anual asociada al evento de período de retorno de diseño hidrológico, por lo tanto, este criterio no es apropiado para estimar el riesgo potencial de falla de un sistema. Se recomienda que el RAS incorpore esta metodología para el dimensionamiento de canales a partir de modelos de confiabilidad y análisis de incertidumbre, con el fin de estimar de manera adecuada la respuesta del sistema ante las condiciones de diseño. Es importante mencionar que las metodologías de diseño y análisis de canales propuesta en esta investigación pueden ser empleadas para el diseño hidrológico e hidráulico de otras estructuras de drenaje pluvial.