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Introducción
Los ecosistemas kársticos cercanos a la costa son altamente vulnerable a los efectos del cambio climático (CC) y a las actividades humanas, debido a la alta permeabilidad, hidrología subterránea, y porque en ellos confluyen tanto sistemas marinos como terrestres (Hernández-Terrones et al. 2011, Rathore et al. 2016, Suchley y Álvarez-Filip 2018). La presencia de geoformas como cavernas, dolinas y ríos subterráneos propicia una mayor conectividad en comparación con otros paisajes (Zhengxian et al. 2018), cualquier daño tiene un mayor efecto en la función de los ecosistemas y reduce los servicios ambientales en la región (Monterroso-Rivas et al. 2014, SEDETUR 2021). El margen costero del estado mexicano de Quintana Roo, colinda con el Caribe y alberga los ríos subterráneos más grandes del mundo (Moreno-Pérez et al. 2021), por ello la dinámica hidrológica del karst influye en todos los procesos ecológicos y ambientales de la región (Michener y Lajtha 2007, Silva 2019). De acuerdo con el Fondo Mundial para la Naturaleza, la vulnerabilidad del estado de Quintana Roo ante el CC, es media y media-alta, para las inundaciones y los fenómenos meteorológicos extremos (IPCC 2021, SEDETUR 2021). Por otro lado, Beddows et al. (2007) y Camacho-Cruz et al. (2020), señalan que es la actividad turística y urbana la que ha generado la mayor contaminación del agua superficial y subterránea del karst de la Península de Yucatán.
Una alternativa para la adaptación y mitigación al CC es la incorporación de infraestructura sensible al agua, para ello se requiere implementar un Diseño Urbano Sensible al Agua (DUSA), con el cual se busca preservar la conectividad hidrológica y el ciclo del agua, para lograr comunidades urbanas resilientes (Gleason-Espíndola 2014). Al mantener la conectividad ecosistémica, el DUSA permite cumplir con la legislación mexicana relacionada con la planificación territorial (Congreso de la Unión 2015, Ibarra-Madrigal et al. 2020). Brown et al. (2009) han identificado las distintas etapas que debe experimentar una ciudad para alcanzar la resiliencia al CC. Se requieren seis etapas y al menos tres deben incorporar la gestión pública avanzada y temas de gobernabilidad: ciudad de cursos de agua, ciclo del agua y ciudad sensible al agua.
El DUSA, es parte importante del paradigma del diseño urbano sustentable; tiene como objetivo considerar el recurso agua como un factor fundamental. Este paradigma incorpora conocimiento desde las ciencias sociales, la física, la ingeniería, así como las ciencias ambientales relacionadas con el suministro de servicios hídricos y protección de los entornos acuáticos (Wong y Brown 2009). Consiste en diseñar espacios públicos e infraestructura hidrosanitaria que imite el funcionamiento del sistema natural. También requiere de la incorporación de infraestructura acorde al paisaje, que permita la continuidad de los servicios ambientales, como la filtración y reutilización del agua de lluvia, la recarga del acuífero, y disminución de inundaciones entre otros (Gleason-Espíndola 2014). El paisaje se definió como un conjunto de ecosistemas que se conectan y funcionan como un tejido continuo de capas; el paisaje kárstico se distingue por conectar elementos superficiales y subterráneos a través del ciclo hidrológico (Wong 2006). De acuerdo con Wong (2006), Brown et al. (2009), y Silva (2019); el diseño urbano es un campo relacionado con la planificación y el diseño arquitectónico de entornos urbanos, que abarca más allá del ámbito hídrico, pero que tienen implicaciones en los efectos medioambientales sobre la tierra y el agua.
Quintana Roo representa el segundo lugar nacional en visitación turística (SEDETUR 2021) y primero en crecimiento poblacional (3.1% anual) (INEGI 2020). El diseño urbano existente y la demanda de servicios, rompe con la conectividad del karst, debido a los materiales y tipo de construcción utilizados. Además de poner en riesgo la perpetuidad de la calidad de vida brindada por la naturaleza (Brown et al. 2009). Por otro lado, la especulación de la tierra ha generado asentamientos irregulares (Gómez-Pech et al. 2018). El modelo de urbanización actual provoca la impermeabilización del suelo y modificación de los flujos de agua, alterando la conectividad natural. Los asentamientos urbanos generan mayores volúmenes de escorrentía y dependiendo la duración, intensidad y período de recurrencia de las inundaciones, provoca daños económicos por las pérdidas materiales, lo cual en condiciones naturales no se presenta (CONAGUA 2015). Con el uso de modelos hidrodinámicos se analizó la implementación del DUSA en el karst y se evaluó el beneficio económico al disminuir las inundaciones en Bacalar, Quintana Roo, México.
Materiales y métodos
Área de estudio
El estudio se realizó en el año 2019. El área corresponde al área urbana de la cabecera municipal de Bacalar, Quintana Roo. De acuerdo con el área de proyección del Programa preliminar de Desarrollo Urbano Municipal (Figura 1); el núcleo urbano se encuentra ubicado al centro oeste de la Laguna Bacalar. Esta zona presenta un clima Cálido subhúmedo Aw1(x’), con temperatura media anual de 26° C, precipitación media anual de 1 327.4 mm, la estación de lluvia abarca de mayo a noviembre.
Modelo de infiltración
Se eligió el modelo precipitación-infiltración-escurrimiento por el Soil Conservation Service de Estados Unidos. Este modelo permite calcular el escurrimiento en función de la lluvia acumulada, la cobertura del suelo, el uso y las condiciones de humedad (USDA 1986, Campos-Aranda 1998). El comportamiento del suelo se representa con la curva N (CN), cuyo rango va desde cero para suelos muy permeables que tardan en saturarse, hasta cien, suelos muy impermeables o que rápidamente se saturan. La estimación del CN en todos los casos se realizó con la calculadora metodológica National Green Values (CNT 2009). Una vez determinada la infiltración y escorrentía, se desarrollaron escenarios de permeabilidad, en los que se utilizaron distintos diseños de infraestructura basada en el DUSA. Los datos de infiltración-escorrentía, fueron utilizados para analizar las variaciones de la inundación en tiempo y superficie, empleando modelación hidrodinámica bidimensional de flujo, basada en las ecuaciones de Saint Venant y utilizando el Software IBER 2.4.3 (Bladé et al. 2014, Sánchez-Quijano et al. 2018). Para el modelo se utilizaron datos de precipitación de la estación meteorológica 23002 de CONAGUA, para el periodo 1962 a 2012 (SMN 2019). Además, del registro de lluvia máxima diaria, para determinar el hietograma y las curvas Intensidad-Duración-Tiempo de retorno (IDTr). Se eligió el periodo de 2 y 10 años de acuerdo con el lineamiento emitido por la Comisión Nacional del Agua (Campos-Aranda 1998, CONAGUA 2015).
Infraestructura sensible al agua
Basados en los criterios para implementación de DUSA (Gobierno de la CDMX 2016, IMPLAN 2017) y las características de la zona de estudio, se eligieron tres diseños de infraestructura: el biocanal o swale, el jardín de lluvia y los pavimentos permeables, que en conjunto se les nombró infraestructura esponja. En todas se plantea el uso de materiales de la región y pueden colocarse en espacios públicos como estacionamientos, camellones, banquetas y andadores. Para la construcción virtual de la infraestructura, se utilizó una capa que corresponde al levantamiento topográfico de precisión centimétrica para el área del centro urbano. Para las áreas sin levantamiento topográfico, se empleó el sistema ASTER Global Digital Elevation (GDEM V3), en el cual cada píxel representa un área de 30 metros, con alta precisión horizontal y vertical de un arco segundo. Ambas capas se interpolaron con el algoritmo de vecinos cercanos, para aumentar la precisión en la elevación y la validez en la representación de escurrimiento e inundaciones. Con estos datos se obtuvo la modelación hidrodinámica de escurrimiento e inundación en un periodo de lluvia.
Simulación económica
El modelo hidrodinámico se utilizó para desarrollar los escenarios de ocupación, para superficies permeables (% p) e impermeables (% imp). Línea base: escenario previo a la ocupación urbana con 81.78% selva, 7.33% pastizal y 0.02% agua INEGI (2011), conserva las características de permeabilidad del ecosistema sin urbanización, con grupo hidrológico de suelo tipo B, buena condición de infiltración de 0.62, acorde al método de clasificación expuesto en USDA (1986). Situación actual: con análisis de imágenes satelitales de Google Earth (2019) se midió la proporción actual del centro urbano; resultó un 22% p vs 78% imp. Hipotético 1: situación hipotética 35% p vs 65% imp. Hipotético 2: el escenario optimista en el cual se manejó un 68% p vs 32% imp.
La valoración económica por daños por inundación se obtuvo a través de la clasificación de la peligrosidad (Arreguín-Cortés 2015, Alcocer-Yamanaka et al. 2016). La inundación se clasificó como peligrosidad alta para 1.5 m, media 0.5-1.5 m y baja para 0.25-0.5 m. Se determinó el área de afectación en hectáreas, periodos de retorno (Tr) 2 y 10 años, con y sin infraestructura esponja. La valoración económica del daño anual por inundación (VDA), se estimó para cada escenario considerando las ecuaciones propuestas por Ceballos-Bernal et al. (2016), en las que determinan las curvas de inundación-daño para diferentes tipos de vivienda y cuyo resultado se estima en salarios mínimos. La superficie urbana se dividió en un 60% para edificaciones (edificios y vivienda), 30% en vialidades y 10% en área de donación.
Los daños anuales se estimaron basados en el documento de CONAGUA (2015). El cálculo se determina con el inverso del Tr multiplicado por el costo del daño para superficie y tirante de inundación en los diversos escenarios. Es decir, Tr 2 = 0.5% de probabilidad de ocurrencia y Tr 10 = 0.1% probabilidad de ocurrencia.
Posteriormente es posible determinar el valor actual de los beneficios (VAB), por implementación de la infraestructura esponja. Para estimar el VAB se efectuó un cálculo de perpetuidad utilizando la ecuación:
Donde: VAB es el valor actual de los beneficios, BAAD el beneficio por ahorro anual por daños y r la tasa social de descuento requerida por Secretaría de Hacienda y Crédito Público para evaluar proyectos del sector público.
Resultados
La modelación hidrodinámica muestra que la mayoría de los polígonos de inundación presentan peligrosidad media (0.5-1.5 m), la escorrentía superficial se proyecta como una red de flujos de agua superficial que se formaría en el temporal estacional (Figura 1). El tiempo de inundación resultante para cada escenario, bajo la condición con y sin infraestructura esponja y con diferentes porcentajes de superficie permeable, se presenta en la Tabla 1. Para el escenario Línea Base, se tuvo un CN = 61, el inicio de la inundación se dio en 1 hora y 8 min. En este escenario no se implementó infraestructura esponja. El valor del daño anual esperado (VDA) se obtuvo para una probabilidad de ocurrencia cada 2 y cada 10 años (Tabla 2), para este escenario alcanza una cifra de 0.72 MSM (millones de salarios mínimos). Para el escenario Situación Actual, se tuvo un CN = 95, representa el de mayor impermeabilización (77.59%). El tiempo en que inicia la inundación es de sólo 10 min y 30 s. Con infraestructura esponja, el CN = 91, el tiempo de inundación aumenta a 12 min 50 s, es decir, se retrasa 4 min, 20 s. El VDA para este escenario se estima en 2.05 MSM sin infraestructura esponja y en 1.83 MSM con infraestructura.
Tabla 1 Tiempo de inicio del aumento de escorrentía e inundación según modelación hidrodinámica para la lluvia con Tr = 10 años.
| Situación urbana | % Área Permeable | % Área Impermeable | Tiempo de inicio de las inundaciones | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| CN | Sin infraestructura esponja | CN | Con infraestructura esponja | |||
| Línea base | (81.78% selva, 7.33% pastizal y 0.02% agua) | 61 | 1 hora 8 min | - | - | |
| Hipotético 1 | 34.52% | 65.48% | 83 | 15 min 50 s | 79 | 19 min 10 s |
| Hipotético 2 | 67.61% | 32.39% | 77 | 20 min 30 s | 66 | 30 min 30 s |
| Situación actual | 22.41% | 77.59% | 95 | 10 min 30 s | 91 | 12 min 50 s |
Tabla 2 Comportamiento de los escenarios con y sin implementación de infraestructuras esponja.
| A) Situación urbana | Daños sin infraestructura esponja (MSM) | Probabilidad de ocurrencia (%) | Daño Anual esperado | ||
| Tr = 2 | Tr= 10 | Tr = 2 | Tr= 10 | (MSM) | |
| Línea base | 0.98 | 2.73 | 0.5 | 0.1 | 0.76 |
| Situación actual | 3.14 | 4.81 | 0.5 | 0.1 | 2.05 |
| Hipotético 1 | 2.66 | 4.40 | 0.5 | 0.1 | 1.77 |
| Hipotético 2 | 1.94 | 3.72 | 0.5 | 0.1 | 1.38 |
| Situación urbana | Daños con infraestructura esponja (MSM) | Probabilidad de ocurrencia (%) | Daño Anual Esperado | ||
| Tr = 2 | Tr= 10 | Tr = 2 | Tr= 10 | (MSM) | |
| Línea base | 0.91 | 2.68 | 0.5 | 0.1 | 0.72 |
| Situación actual | 2.77 | 4.47 | 0.5 | 0.1 | 1.83 |
| Hipotético 1 | 2.00 | 3.86 | 0.5 | 0.1 | 1.34 |
| Hipotético 2 | 0.97 | 3.01 | 0.5 | 0.1 | 0.78 |
Tr = tiempo de retorno en años, MSM = millones de salarios mínimos para el año 2019.
En el escenario Hipotético 1, se obtuvo un CN = 83 y el tiempo en que inician los procesos de inundación es de 15 min con 50 s. Este mismo escenario con la aplicación de la infraestructura esponja, disminuye el CN = 79 y aumenta el tiempo de inicio de inundación, se retrasa 3 min con 20 s. El VDA sin la infraestructura esponja alcanza un valor de 1.77 MSM; mientras con la infraestructura esponja es de 1.38 MSN. Finalmente, para el escenario Hipotético 2, el CN = 77 y el inicio de inundación es de 20 min con 30 s. Con la infraestructura esponja el CN baja a 66 y el tiempo de inicio de inundación de 30 min 30 s. El VDA se calculó sin la infraestructura esponja con valor de 1.38 MSM y con la infraestructura esponja en 1.34 MSM. La implementación de infraestructura esponja genera un ahorro (Tabla 3), para el escenario Línea Base de 0.41 MSM, Situación actual 2.21 MSM, el Hipotético 1 de 3.84 y el Hipotético 2, presenta un ahorro 5.56 MSM.
Discusión
Los modelos hidrodinámicos con implementación de DUSA generan los escenarios de permeabilidad óptimos para la región. Bajo un escenario del 68 y 32% de impermeabilidad, se obtiene un CN de 66, por lo que se logra el retraso del inicio de inundaciones de 30 min a Tr de 10 años. El hietograma (Figura 2) señala que la mayor intensidad de lluvia se produce en los primeros 30-40 min. De acuerdo con el informe de IMTA-CAPA (2016), en la zona sur de Quintana Roo la mayor intensidad de lluvia se presenta en los primeros 30 minutos. El cambio de uso de suelo para urbanización genera inundación por su efecto directo en la disminución de la permeabilidad y captación de agua (Yira et al. 2016, Siregar 2018). El desarrollo de modelos de simulación hidrodinámica es necesario para identificar las zonas de riesgo a inundación y constituyen una alternativa para una mejor planificación del territorio en las municipalidades en todo el mundo (Zope et al. 2016). La infraestructura urbana que imita o mantiene la captación y escorrentía natural, disminuye la vulnerabilidad de las ciudades y por tanto de las poblaciones humanas, ante el cambio climático (CE 2014). En este sentido la implementación de infraestructura sensible al agua representa una alternativa para las zonas kársticas de México.
Figura 2 Hietograma de curvas intensidad-duración-periodo de retorno (IDTr), para la estación climatológica 23002 Bacalar.
De acuerdo con los modelos el ahorro monetario en caso de daño puede alcanzar un valor de 5.56 MSM o 570.81 millones de pesos (valor a enero de 2019). De acuerdo con Pinos et al. (2017) existen pocos estudios en Latinoamérica que han evaluado los costos-beneficio del daño por inundación, así como aquellos que han analizado la implementación de infraestructura sensible al agua. No obstante, la necesidad de contar con ciudades basadas en el funcionamiento de los sistemas ecológicos ha sido abordada desde comienzos del siglo XX bajo definiciones y modelos homólogos al DUSA, como los sistemas urbanos de drenaje sostenible y la infraestructura verde (IMPLAN 2017). Como lo muestra Jiménez (2018) desde 1903 se reconocen el papel de la infraestructura verde en la conservación del agua y aire limpios, además de proveer una amplia gama de beneficios para personas y vida silvestre (Benedict y McMahon 2006). Las ciudades diseñadas bajo estos esquemas pueden salvaguardar los procesos naturales y culturales esenciales para sostener la vida humana (Kongjian Yu et al, 2006). El desarrollo de intervenciones ingenieriles que repliquen el funcionamiento de la naturaleza aportará una gama más amplia de beneficios sociales, ambientales y económicos.
A nivel mundial existen ejemplos de la implementación de diseños urbanos sensibles al agua, por lo que se ha desarrollado literatura sobre modelos y experiencias en relación con la incorporación de infraestructura esponja como alternativa para evitar inundaciones y desastres. Por ejemplo, se ha propuesto una transición a las Ciudades Esponja (Zevenbergen et al. 2018), como Australia, Singapur, Holanda también la han incorporado (Roy et al. 2008, Rodríguez et al. 2015, Public Utilities Board 2018). La incorporación del DUSA aumenta la captación de agua y mantiene la permeabilidad de los suelos. Por lo que es la mejor alternativa para el beneficio social, ambiental y económico a través del tiempo (Liang et al. 2020, Kongjian Yu et al, 2006). Sin embargo, para que la implementación de DUSA tengan el efecto esperado, es necesario diseñar una distribución de espacios urbanos y naturales equilibrada (Gleason-Espíndola 2014).
Los modelos y escenarios analizados sugieren que el tiempo relativo al inicio de inundaciones aumenta siempre que se procure mantener un porcentaje de superficie permeable o que se emplee infraestructura sensible al agua. Pero también revelan la importancia de la distribución del área permeable, por lo que un parque de recarga es más efectivo si en la periferia urbanizada se optimiza la conectividad del paisaje. Algunos de los retos para la modelación futura es analizar distintas escalas geográficas, los distintos tipos de urbanización, implementación de parques de recarga, variantes de permeabilidad y conectividad. Por otro lado, se sugiere analizar sistemas individuales de tratamiento de agua residual e incorporar formas adaptadas a naturaleza del karst; se requiere la incorporación de variables como la ocurrencia de tormentas y huracanes, mayor número de intervalos de tiempo de precipitación e integrar el papel de las aguas subterráneas (Zope et al. 2016, Wang et al. 2020, Li et al. 2021, Meng et al. 2022). Los modelos de simulación obtenidos ofrecen un panorama sobre los costos beneficios de la implementación de la infraestructura DUSA, además de que revelan los diversos retos de modelación, la apremiante necesidad de desarrollar una estrategia de gestión, por lo que es necesario identificar los indicadores ambientales, sociales y económicos, además de los actores y componentes necesarios para alcanzar la construcción de índices de ciudades sensibles al agua (Beck et al. 2016, Rogers et al. 2020, Brown et al. 2009).
Conclusiones
Los escenarios obtenidos con los modelos hidrodinámicos con la implementación DUSA para Bacalar, son el primer análisis de este tipo para la región. Al mantener una permeabilidad mayor del 60% e implementar infraestructura DUSA, se retrasa la inundación hasta por 30 minutos y se alcanza un ahorro de 570.81 millones de pesos. El cambio de uso de suelo sobre el sistema kárstico de la Península de Yucatán debe ser planificado manteniendo la mayor permeabilidad en los sitios de recarga de agua al acuífero. Los escenarios y modelos desarrollados sostienen que es posible aplicar un diseño urbano sensible al agua, resiliente y acorde al funcionamiento del ciclo hidrológico. El DUSA puede contribuir con el desarrollo urbano municipal, ordenamiento territorial, mapas de riesgo y la determinación de zonas metropolitanas y disminuir la vulnerabilidad ante el CC.
