Introducción

El canal principal Humaya (CPH), fundado el 8 de octubre de 1952, pertenece al Distrito de Riego 010 Culiacán-Humaya y es uno de los más importantes de México. Está localizado en la región centro del estado de Sinaloa, entre los municipios Culiacán, Navolato, Mocorito, Angostura y Salvador Alvarado. El distrito tiene una superficie actual de riego de 212,374 ha, de las que 106,835 ha son ejidales y 105,539 ha de la pequeña propiedad (^{Comisión Nacional del Agua [CONAGUA], 2005}). Para su administración, el distrito se encuentra organizado en 12 módulos de riego, de los cuales seis son abastecidos por el CPH (Figura 1).

Figura 1 Módulos de riego del Distrito 010 que abastece el canal principal Humaya (^{Pedroza-González & Hinojosa-Cuéllar, 2014}). 

El CPH es abastecido por la presa Adolfo López Mateos, tiene 156 km de longitud y cuenta con una gran cantidad de estructuras (26 represas, un túnel de 1,310 m de longitud y 12 diques; ^{Pedroza-González & Hinojosa-Cuéllar, 2014}). Durante su construcción, con el fin de salvar depresiones y aprovechar los escurrimientos de algunos de los arroyos que cruzan el CPH, se colocaron diques en diferentes puntos a lo largo del canal (Cuadro 1), cuya capacidad inicial se determinó con el volumen que pueden llegar a almacenar a diferentes cotas en función de los niveles de operación del canal.

En el CPH se han realizado diversos estudios, tanto geotécnicos como hidráulicos. De entre estos destacan los trabajos realizados en 1997 con la sobre-elevación de bordos en los primeros 5 km del canal y en algunos tramos a nivel intermedio, así como trabajos de limpieza, control de lirio acuático en las lagunas laterales pertenecientes a los diques y ampliación de represas para aumentar su área hidráulica (^{Instituto Mexicano de Tecnología del Agua [IMTA], 1997}). No obstante, la batimetría de los diques no ha sido actualizada en los últimos cincuenta años y diversos factores han disminuido su capacidad volumétrica, como el azolve y la maleza acuática (^{Camarena-Medrano & Aguilar-Zepeda, 2012}).

Algunos autores indican que la falta de mantenimiento en el CPH (como la remoción de azolve) provoca pérdidas de 2.5 % en su conducción (^{Vargas & Pedroza, 2000}). Es importante mencionar que un mal manejo del azolve puede provocar inundaciones, contaminar el suministro de agua y causar la pérdida de cultivos, entre otros problemas. Por ello, es necesario realizar labores de conservación adecuadas para mantener la capacidad de almacenamiento original de cada dique, evitando o disminuyendo la acumulación de azolve en las zonas de circulación preferencial.

Una tarea necesaria en la cuantificación de azolve es la batimetría (^{Brock, Wright, Clayton, & Nayegandhi, 2004}); la cual consiste en determinar el relieve del fondo de los cuerpos de agua (lagos, embalses y diques) (^{Planella-González, Gómez-Pivel, & Alcoba-Ruiz, 2013}). Se realiza a partir de la recolección de coordenadas (x, y, z) de puntos distribuidos a lo largo y ancho del cuerpo de agua; donde x, y corresponden a la ubicación en el plano horizontal y z a la profundidad (siendo a su vez la que presenta mayor complejidad; ^{Farjas-Abadía, 2005}). Esta última ha dado pie al desarrollo de técnicas de sondeo.

Hasta principios del siglo pasado, las técnicas de sondeo más eficientes eran de contacto, con bastones o cuerdas con plomo, presentando grandes inconvenientes. En la década de los veinte se comenzó a trabajar con equipos de medición del eco acústico; los cuales ya no requerían un contacto físico con el fondo acuático y agilizaban el proceso de medición. Actualmente, se emplean perfiladores acústicos de efecto Doppler (PAED) para realizar la medición de la profundidad, a la vez que incorporan un dispositivo de geolocalización para adquirir las coordenadas (x, y). Estos equipos permiten realizar levantamientos batimétricos de manera rápida y precisa, siendo una alternativa a los métodos tradicionales que determinan la planimetría y la altimetría por separado (^{Farjas-Abadía, 2005}). Con el PAED se pueden obtener, entre otras estimaciones, la forma de la sección, las velocidades en las tres dimensiones y el caudal de los canales con una gran precisión (^{Hiebl & Musso, 2007}; ^{Leu & Chang, 2005}).

Recientemente, actividades de conservación en el CPH hicieron necesaria la determinación de la batimetría de los diques que integran el sistema de conducción del canal. El CPH fue diseñado para conducir un gasto de 100 m³∙s^-1; sin embargo, hasta 2013, lo máximo que se había logrado transportar eran 85 m³∙s^-1. Desde entonces, para la operación del canal se ha reducido el bordo libre, deshabilitando las obras de excedencia y dejando libre el flujo en las compuertas. Para aumentar el gasto del canal, a través de la sobre-elevación, se requiere una revisión de las nuevas condiciones de operación, donde se incluyan todos los diques instalados.

Por lo anterior, el objetivo de este trabajo fue determinar la batimetría de los diques del CPH utilizando un perfilador acústico de efecto Doppler para estimar la capacidad volumétrica, el área inundada y la profundidad máxima de cada dique. Los resultados se compararon con las capacidades volumétricas publicadas en 1997.

Materiales y métodos

Adquisición de coordenadas y medición de profundidades

Las coordenadas (x, y, z) del estudio batimétrico se determinaron con un perfilador acústico de efecto Doppler (PAED; modelo M9, marca Sontek) (Figura 2) con exactitud de 1 % del valor medio y resolución de 0.001 m, usando un emisor de ultrasonido de 0.5 MHz. Este instrumento calcula las componentes de velocidad del agua en diferentes capas en las tres direcciones. Como su nombre lo indica, este equipo utiliza el efecto Doppler, transmite sonidos a una frecuencia fija y capta los ecos retornados por los reflectores del agua (^{Lee, Mukai, Lee, & Lida, 2008}). Los reflectores son pequeñas partículas microscópicas de sedimentos o plancton presentes de forma natural en el agua (^{Hiebl & Musso, 2007}). Cuando el sonido enviado por el PAED llega a los reflectores hay un desplazamiento frecuencial proporcional a la velocidad relativa entre el PAED y los reflectores. Parte del sonido es reflejado nuevamente hacia el PAED. Este segundo desplazamiento es utilizado para calcular las velocidades (Figura 3).

Figura 2 Equipo M9 de Sontek usado para obtener los datos de profundidad. 

Figura 3 Operación del perfilador acústico de efecto Doppler (PAED). Adaptado de ^{Muste, Kim, y Fulford (2008)}. 

Como medida de respaldo, las coordenadas (x, y) también se capturaron con un equipo de navegación cinética satelital en tiempo real (RTK, por sus siglas en inglés). El equipo utilizado fue de la marca Topcon, con resolución horizontal de 10 mm + 1.0 ppm y cuenta con soporte para diversos sistemas, como GPS, GLONASS, QZSS (Quasi-Zenith Satellite System), SBAS (Satellite Based Augmentation System) y Galileo. El RTK mejora la precisión de otros sistemas de posicionamiento, como el uso de Global Positioning System (GPS) o el Differential GPS (DGPS), permitiendo lecturas de alta precisión en tiempo real, incluso si el equipo receptor está en movimiento (^{Langley, 1998}). Un RTK está conformado por dos estaciones, una estática (de referencia) y la otra móvil. Esta última contiene el receptor de movimiento con el cual se determinarán las coordenadas en tiempo real (con la opción de hacerlo en el sistema de referencia local). La estación de referencia provee correcciones instantáneas para la estación móvil (^{Paar, Novakovic, & Kolovrat, 2014}).

Para realizar la lectura de las coordenadas en cada dique, el PAED y el RTK se montaron en un bote de motor (Figura 4). De forma general, se hizo un recorrido por la orilla del dique, barriendo cada 20 m en ambas direcciones. Esto permitió la recolección de puntos que asocian los niveles de profundidad con la posición dentro de los diques. Como ejemplo, en la Figura 5 se esquematizó el recorrido y la posición de los puntos muestreados en el Dique 1. Los equipos se programaron para realizar la captura automatizada de las coordenadas: PAED cada 4 s y RTK cada 10 s.

Figura 4 Equipo RTK usado como respaldo de la información. 

Figura 5 Recorrido del equipo para el levantamiento batimétrico del Dique 1. 

Algunos diques presentaron problemas de maleza flotante y emergente de manera parcial (Figura 6) o incluso total, lo que limitó el alcance de los barridos. Por lo que, en los diques Arroyo Prieto, Hilda, Mariquita, Palos Amarillos, Acatita, Cacachila y Aeropuerto se tuvieron dificultades para cubrir toda la superficie. En promedio, 20 % del área (principalmente en las orillas de los diques) fue insondable.

Figura 6 Lirio en dique Arroyo Prieto. 

Resultados y discusión

Las curvas de nivel y el MED (Figura 7) permitieron obtener los datos de área y volumen para cada cota. Esta información permitió generar las gráficas de elevación-área-capacidad de cada dique. En la Figura 8 se presenta la gráfica del dique 1, donde se muestra el aumento del volumen (curva roja, eje horizontal inferior) y del área (curva azul, eje horizontal superior) en función de la profundidad (eje vertical). Por conveniencia, este último dato se expresa en msnm, alcanzando el fondo a los 64.8 msnm y el espejo de agua a los 72 msnm, dando una profundidad de 7.2 m. La gráfica permite identificar rápidamente el volumen y área de cobertura en función de la altura que alcanza el agua en los diques.

Figura 7 Curvas de nivel (a) y modelo de elevación digital (b) resultantes de la batimetría del dique 1. Elaboración propia con datos obtenidos de la medición del dique 1. 

Figura 8 Curva de elevación-área-capacidad del dique 1 (13 + 240). 

El Cuadro 2 muestra el producto principal del trabajo realizado, que son los datos de la capacidad volumétrica (m³), área inundada (ha) y profundidad (m) de todos los diques del CPH, incluso aquellos que no pudieron ser sondeados en su totalidad por problemas de maleza acuática (4 de los 11 diques).

En el Cuadro 3 se muestran los volúmenes de cada dique comparados contra los calculados originalmente en 1966 (IMTA, 1997). Para hacer una comparación adecuada, se utilizó la misma cota en las curvas de ambas batimetrías, excluyendo los diques que no cubrieron en su totalidad por el problema de la maleza acuática. Los valores negativos denotan una pérdida de la capacidad volumétrica. Como se puede observar, los diques 1 y 2 incrementaron su capacidad, esto debido al mantenimiento y ampliación que se realizó recientemente. Por otro lado, Batamote, Agua fría, Hilda, Mariquita y Cacachila fueron los que presentaron mayor pérdida de su capacidad, muy probablemente debido al azolve. Esto es importante ya que se estima que, en promedio, las pérdidas económicas a nivel mundial por la reducción de capacidad de almacenamiento para riego debido al azolve están en el rango de 3 a 5 billones de dólares anuales (^{International Commission on Large Dams [ICOLD], 2010})

Conclusiones

Los diques del canal principal Humaya se operan en función del nivel del canal y son un almacén temporal de agua en el caso de flujo normal. De esta forma, los diques funcionan como amortiguadores ante probables aportaciones extraordinarias, tránsito de avenidas y movimientos de compuertas, así como depósitos de volúmenes irregulares. Por lo anterior, los diques constituyen un sistema de protección y amortiguamiento del CPH, lo que hace sumamente importante su conservación y mantenimiento oportuno.

Un perfilador acústico de efecto Doppler es una herramienta sumamente útil para la obtención de las profundidades de los diques. A partir de su uso fue posible determinar la capacidad volumétrica de los diques del CPH. No obstante, su uso se vio limitado por la presencia de maleza acuática y la acumulación excesiva de azolve. Por esta razón, solo siete de los once diques pudieron ser sondeados de manera correcta.

De los siete diques que se lograron estudiar casi en su totalidad, la comparación mostró que dos incrementaron su capacidad debido a la corrección realizada en el cauce principal del canal. En los cinco restantes no hubo acumulación de azolve, lo que ocasionó una disminución de su capacidad de 16.87 %, en promedio. Con ello, se revela la necesidad de realizar un programa efectivo de control de azolve en los diques de mayor afectación.

La maleza y el azolve obstruyen el libre tránsito del agua a través de los diques, originando pérdidas de carga e influyendo significativamente en la capacidad de conducción y de respuesta del canal. Un mal manejo del azolve no solo aumenta los costos de mantenimiento, también provoca importantes mermas a los usuarios de riego.