IAHR AIIH

XXVII CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA

LIMA, PERÚ, 28 AL 30 DE SETIEMBRE DE 2016

“APLICACIÓN DEL HEC-RAS, COMO HERRAMIENTA EN LA GESTION

DE RIESGO DE INUNDACIONES - TRAMO URBANO DE LA CIUDAD DE

ICA”

Autor: Hugo Miguel Benito Rojas

Magister en Ingeniería Hidráulica, Docente Contratado en la Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica y

Universidad Privada Alas Peruanas filial Ica, Consultor Obras hidráulicas; Dirección: Calle Ciruelos n.° 103,

Urbanización Campo Alegre, Ica, Ica, Perú; Teléfonos: Fijo 056-600848, Celular 956605580; Email:

hbenitor@hotmail.com, hbenitor@gmail.com

RESUMEN:

La presente ponencia aborda la problemática del control de inundaciones y la gestión de

riesgo a realizar, de manera que sirva para afrontar las posibles consecuencias de este tipo de

desastres naturales. Así mismo se evalúa una realidad especifica representada por estudios

anteriores, realizados sobre el tramo urbano del río Ica, ubicado en la provincia y departamento de

Ica, Perú; usando como herramienta de simulación al modelo numérico HEC–RAS. En los

apartados siguientes se describe la ubicación y alcance de la ponencia, las referencias históricas

sobre inundaciones causadas por el rio Ica y sus tributarios y la vulnerabilidad de la ciudad frente al

fenómeno; asimismo, la modelación numérica aplicada a la simulación de diversos escenarios.

Finalmente se muestra la evaluación hidráulica del río, en el tramo urbano, en condiciones de

máximas avenidas, con las planicies de inundación resultantes para su aplicación en la gestión de

riesgo.

ABSTRACT:

This paper addresses the problem of flood control and risk management to be performed, so

that it serves to face the possible consequences of such natural disasters. It also specifies a reality

represented by previous studies conducted on the urban section of the Ica River, located in the

province and department of Ica, Peru is evaluated; using as a simulation tool to numerical model

HEC-RAS. The following sections describe the location and scope of the paper describes the

historical references to flooding caused by the Ica River and its tributaries and the vulnerability of

the city to the phenomenon; Also, numerical modeling applied to the simulation of various

scenarios. Finally hydraulic assessment of the river shown in the urban section, under conditions of

maximum flood, with the resulting flood plains for use in risk management.

PALABRAS CLAVES: Inundaciones, riesgo, modelo numérico HEC RAS.

INTRODUCCIÓN

En 1998, la ciudad de Ica sufrió el desborde del río Ica, el cual, al activarse varias quebradas

transversales consideradas hasta ese momento como secas, por donde discurrieron “huaycos”,

incrementó su caudal intempestivamente ocasionando considerables daños calculados en más de

100 millones US$.

En el año 2000, el Proyecto Especial Tambo Ccaracocha (PETACC), contrató a la

consultora ATA-SWECO que elaboró el Estudio Integral de Solución de Desbordes e Inundaciones

del Rio Ica y la Quebrada Cansas, el cual, luego de una serie de adecuaciones al SNIP, se encuentra

actualmente a nivel de expediente técnico. Sin embargo, a la fecha no se han ejecutado las obras

recomendadas en la versión final del mencionado estudio, tales como: la ampliación y revestimiento

de cauce, la construcción de pozas de atenuación de caudales, diques laminadores de flujos de lodo

en las quebradas, etc.; por lo que, la ciudad de Ica se encuentra en un alto grado de vulnerabilidad,

expuesta sufrir nuevamente daños considerables ante la inminente presencia del fenómeno El Niño.

La gestión del riesgo establece que para reducir la afectación de un fenómeno natural se debe

mitigar con medidas de prevención. En en este caso específico, se realizó una simulación del rio Ica

aplicando el modelo hidráulico HEC-RAS, como herramienta de evaluación, para la gestión de

riesgo de inundaciones en el tramo urbano de la ciudad de Ica. (Benito, 2015)

UBICACIÒN Y ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN

La investigación parte de la cuenca integrada del río Ica – Alto Pampas (fig.1), porque

muchos de los comportamientos del rio Ica en la cuenca baja, se manifiestan como consecuencia de

lo que sucede en la cuenca media y alta. Sin embargo la investigación se centra en el tramo urbano

de la ciudad, que responde a los siguientes datos geográficos y políticos:

Región : Ica

Provincia : Ica

Distrito : Ica

Tramo : Puente “Socorro” - Puente “Los Maestros”

Se incluyen también pequeñas secciones específicas, de puentes intermedios y zonas

críticas, que son de gran importancia para evaluar el comportamiento de la lámina superficial en

forma integral del tramo mencionado. El alcance de la investigación se centra en el control los

caudales extremos que descarga el río Ica, principalmente en el tramo urbano (fig.2), identificando

con información actualizada las planicies de inundación y su uso en la gestión de riesgo para lograr

evitar o reducir los costos por daños de inundación.

Figura 1.- Cuenca integrada Río Ica-Alto Pampas Figura 2.- Tramo urbano del Río Ica

Puente Socorro

Puente Los Maestros

VULNERABILIDAD DE LA CIUDAD DE ICA

Los desbordes del Río Ica son un problema recurrente de alta frecuencia, siendo los años

1925, 1946, 1953, 1963, 1972 y 1998 como los más aciagos, por la magnitud de los daños

ocasionados a la agricultura, a la ciudad de Ica y poblaciones vecinas, originados por el Fenómeno

“El Niño”. El 28 de enero de 1998, la ciudad de Ica fue afectada por el desborde del río, cuyo

caudal fue incrementado por fuertes precipitaciones y “huaycos” provenientes de algunas quebradas

consideradas como secas hasta ese momento, como: Tortolitas, Los Molinos y Cansas. Quedando el

cercado de la ciudad lleno de lodo, cañaverales y agua. Como consecuencia de estos “huaycos” el

caudal aumentó intempestivamente y la inundación abarcó casi el 80% de la superficie en la zona

urbana, cubriéndola con una altura de agua entre 1m a 1.50, dependiendo de la zona afectada,

destruyendo gran número de viviendas y cultivos adyacentes. Se estima que los daños ocasionados

ascendieron a más 100 millones de dólares. Posteriormente, en otros años, se produjeron otras

avenidas de agua, pero con menor efecto destructivo. (PETACC, 2008)

La ocurrencia de precipitaciones excepcionalmente altas, como ocurrió en 1998, genera

caudales máximos instantáneos en el Río Ica que superan la capacidad de conducción de su cauce.

La alta vulnerabilidad del valle frente a las inundaciones, por desbordes del río y de sus quebradas

tributarias, se debe fundamentalmente a la fisiografía, la ocupación territorial, las obras construidas

y el régimen hidrológico de su cuenca.

Figura 3.- Inundación del año 1963 Figura 4.- Inundación del año 1998

PELIGROS GENERADOS POR INUNDACIONES

Según el Manual para la Evaluación de Riesgos Originados por Fenómenos Naturales del

Centro Nacional de Estimación, Prevención y Reducción del Riesgo de Desastres – CENEPRED;

Las inundaciones se producen cuando las lluvias intensas o continuas sobrepasan la capacidad de

campo del suelo, el volumen máximo de transporte del río es superado y el cauce principal se

desborda e inunda los terrenos circundantes. Indica además que las llanuras de inundación (franjas

de inundación) son áreas de superficie adyacente a ríos o riachuelos, sujetas a inundaciones

recurrentes, debido a su naturaleza cambiante, las llanuras de inundación y otras áreas inundables

deben ser examinadas para precisar la manera en que pueden afectar al desarrollo o ser afectadas

por él. También define tipos de inundación por su duración y por su origen; para el caso del Rio Ica,

ocurren Inundaciones dinámicas o rápidas por su duración, e Inundaciones fluviales por su origen.

Finalmente, se define a las Zonas inundables (fig.5) ó llanuras de inundación: Estadísticamente, los

ríos igualarán o excederán la inundación media anual, cada 2,33 años; las inundaciones son el

resultado de lluvias fuertes o continuas que sobrepasan la capacidad de absorción del suelo y la

capacidad de carga de los ríos, riachuelos y áreas costeras. El desarrollo de actividades urbanas en

zonas inadecuadas ocasiona el aumento de la altura y la extensión de las llanuras de inundación.

(CENEPRED, 2014)

Figura 5.- Llanuras de inundación Figura 6.- Actividad humana en Llanuras de inundación

GESTIÓN DE RIESGO

Según lo establecido en la Ley que crea el Sistema Nacional de Gestión del Riesgo de

Desastres (SINAGERD), define a la Gestión de Riesgo de Desastres como: “…un proceso social

cuyo fin último es la prevención, la reducción y el control permanente de los factores de riesgo de la

sociedad, así como la adecuada preparación y respuesta ante situaciones de desastre…”. Asimismo

entre sus objetivos se considera la “Identificación de los peligros, el análisis de las vulnerabilidades

y el establecimiento de los niveles de riesgo para la toma de decisiones oportunas en la gestión del

riesgo de desastres”.

A fin de aplicar estos conceptos y tomar decisiones oportunas frente al riesgo de sufrir una

inundación en el tramo urbano del rio Ica, se determinarán las planicies de inundación para caudales

máximos en diversos periodos de retorno. Así, se podrá reducir la vulnerabilidad, mitigando

posibles daños, utilizando la comunicación social para establecer un sistema de alerta temprana,

haciendo una transmisión rápida de datos para activar mecanismos de alarma, en una población

previamente organizada y capacitada para reaccionar correctamente frente a esta amenaza.

Tabla 1.- Resumen de la Gestión de Riesgos

RIESGO = AMENAZA x VULNERABILIDAD

Afectación al Sistema Variable en la que no se puede

Intervenir

Variable en la que se puede intervenir

con Medidas de Prevención y

Mitigación

El riesgo es la probabilidad de que la

población y sus medios de vida

sufran daños y pérdidas a

consecuencia de su condición de

vulnerabilidad y el impacto de un

peligro.

Causados por la naturaleza: lluvias,

deslizamientos, inundaciones,

sismos; o por la actividad humana:

incendios, explosiones, derrame de

sustancias peligrosas.

Medidas estructurales: Reducción de

severidad y vulnerabilidad, y medidas

no estructurales: Educación

(comunicación social, capacitación,

etc.) y uso de suelos.

Fuente: Elaboración Propia (HBR)

MODELACIÓN NUMÉRICA APLICADA A LA HIDRÁULICA

Simulación Hidráulica en flujo estacionario: Conceptos básicos (Manual HEC RAS, 2010)

Modelo Hidráulico HEC–RAS: es un software creado por Cuerpo de Ingenieros de la Armada

de los EE.UU. (USACE), que permite al usuario desarrollar un modelo hidráulico unidimensional

en flujo permanente y no permanente de ríos y canales. Tiene una interfaz con los sistemas SIG

mediante la extensión Hec–GeoRas. Permite el cálculo de los perfiles de las superficies de agua

para flujo gradualmente variado tanto para canales naturales como para artificiales. Además analiza

secciones compuestas y por lo tanto considera diferentes rugosidades para cada porción de la

sección transversal, permite el cálculo tanto en flujos subcríticos y supercríticos.

Flujo Gradualmente Variado: Se caracteriza por los cambios que ocurren en la superficie del

agua y de las velocidades del flujo en las secciones transversales. Es un flujo permanente donde la

profundidad varía de manera gradual a lo largo del canal. Se consideran las siguientes hipótesis:

a) La pérdida de altura en una sección es igual a la de un flujo uniforme con iguales

características de velocidad y radio hidráulico.

b) La pendiente del canal es pequeña (<10%). Es decir, que la profundidad de flujo puede

medirse verticalmente o perpendicular al fondo del canal, no requiriéndose corrección por

presión ni por arrastre del aire.

Figura 7.- Variables hidráulicas en flujo gradualmente variado

El proceso iterativo de cálculo se inicia al calcular el perfil de la superficie de agua según el

Método de Paso Directo que está basado en el balance de la ecuación de la energía, planteada con:

𝐻 = 𝑧 + 𝑦 + 𝛼𝑉2

2𝑔 (1)

Dónde:

H : Energía total para una línea de flujo.

z+y : Energía potencial.

𝛼𝑉2

2𝑔 : Energía cinética.

Condiciones de Frontera: Se puede representar la sección transversal caracterizándola según

planicies de inundación (derecha o “right over bank”; e izquierda “left over bank”) ubicadas en

ambos lados del cauce principal (main channel). Cada parte de la sección debe ser caracterizada

hidráulicamente mediante el coeficiente de rugosidad de Manning y la distancia a la sección

transversal inmediatamente aguas abajo (fig 8).

Información requerida para la simulación: En la terminología de HEC-RAS, un Proyecto es

un juego de archivos de datos asociados con un sistema de un río en particular. Se puede

modelar cualquiera o varios tipos de análisis, incluido en el paquete de HEC-RAS, como parte

del proyecto. Los archivos de datos para un proyecto se categorizan como sigue:

- Datos de planta,

- Datos geométricos,

- Datos de flujo uniforme,

- Datos de flujo variado,

- Datos de sedimentos y

- Los datos de diseño hidráulico.

Para un mismo estudio se puede formular varios Planes diferentes. Cada plan representa una

simulación específica de datos geométricos y datos de flujo. Una vez ingresados los datos básicos

en el HEC-RAS, se puede formular nuevos planes fácilmente. Después de que las simulaciones son

hechas para los varios proyectos, los resultados pueden compararse simultáneamente en la forma

tabular y gráfica.

Figura 8.- División por defecto de secciones transversales y esquema para la estimación y diferenciación de

las áreas de la planicie de Inundación, para un determinado periodo de retorno.

Coeficientes de rugosidad: Para esta simulación, se tomaron los coeficientes de Manning del

Estudio de Factibilidad Para La Solución De La Problemática De Desbordes e Inundaciones del Río

Ica, elaborado por la consultora ATA/SWECO, en el año 2000; donde se hizo una evaluación “in

situ” para elegir los valores más convenientes. El modelo HEC RAS, por defecto, subdivide de cada

sección transversal del río en 3 sectores definidos como canal principal y planicies de inundación

izquierda y derecha, donde límite transversal de cada uno está definido por un punto ó bancos

izquierdo y derecho (fig. 9), de esta forma se puede asignar el valor de rugosidad que le

corresponda a cada parte ya que la rugosidad de las márgenes del río casi siempre son mayores que

la del canal principal.

Figura 9.- Subdivisión de la sección transversal de un cauce

Caudales: Se consideró, para la presente investigación, el flujo en régimen permanente, es

decir que el caudal no varía con el tiempo. El caudal usado en la simulación es la descarga máxima

de avenida para un determinado periodo de retorno. La consultora ATA/SWECO estimó las

descargas del río Ica a la altura de la bocatoma “La Achirana”, usando el modelo de simulación

hidrológica HFAM. Así mismo, se usó valores de caudal proporcionados por la Junta de usuarios

del Río Ica. Con ambos datos se construyó una relación continua de caudales, los cuales se han

verificado por los métodos estadísticos.

Geometría del tramo urbano: Si se cuenta con una fuente de datos SIG, el modelo puede

importarlas a través de la extensión HEC-geoRAS desarrollada para ArcGIS la cual se compone de

procedimientos, herramientas y utilidades para procesar datos georreferenciados preparando los

datos geométricos para importarlos al HEC-RAS que crean un archivo de importación a HEC-RAS

recogiendo datos de la geometría del terreno incluyendo el cauce del río, secciones transversales,

líneas de flujo, etc. Este archivo se importa a HEC-RAS donde realizamos todo el cálculo

hidráulico y obtenemos la simulación para los diversos caudales. Estos mismos resultados luego se

pueden exportar a ArcGIS para procesarlos y obtener los mapas de inundación y riesgo (fig 10).

Figura 10.- Plano de ubicación de áreas inundables del tramo urbano del Río Ica

Pero en este caso al no disponer de ello, se recurrió a los planos elaborados por la consultora

ATA/SWECO, del “Estudio Definitivo Para El Control De Desbordes Del Río Ica”. Estos planos en

formato CAD, con curvas de nivel a 0.50m fueron elaborados a partir de información de campo y

aerofoto gráfica del valle, y geo referenciados en el Sistema UTM – WGS 84 – Zona 18 Sur. De

ellos se obtuvo las secciones transversales cuyos datos fueron introducidos al Editor de Datos

Geométricos del modelo HEC-RAS (fig. 11).

Figura 11.- Ingreso de datos geométricos al HEC-RAS

Leyenda Polígono para T retorno

1000 años

200 años

100 años

50 años

Datos de flujo y planes de simulación: Una vez ingresados los datos geométricos, se ingresan

los datos del flujo para la simulación. Los datos se ingresan bajo la opción Edit/Steady Flow Data

en el menú principal del HEC-RAS. Estos consisten en: El número de perfiles ser computado (para

cada caudal importante ó una serie continua), los datos de flujo (Caudales, niveles de agua en

sección de control) y las condiciones límite del río. Los planes de simulación están referidos a tipos

de régimen del flujo: Subcrítico, supercrítico ó mixto.

EVALUACIÓN HIDRÁULICA DEL RIO ICA EN EL TRAMO URBANO Y LAS

PLANICIES DE INUNDACIÓN RESULTANTES

Las secciones transversales seleccionadas, fueron desde la progresiva 31+800 (aguas abajo)

hasta la progresiva 37+900 (aguas arriba), que son un total de 66 secciones iniciales a las que se le

incluye el puente Los Maestros 32+875 y el puente Socorro 36+918. La verificación hidráulica con

el modelo HEC-RAS se realizaron para seis (6) perfiles correspondiendo a los periodos de retorno

de 5, 20, 50, 100, 200 y 1000 años, de tal manera que se puedan realizar las comparaciones con los

datos obtenidos por otros estudios. El tramo analizado se simuló en régimen permanente y flujo

mixto (sub crítico y supercrítico). Como condiciones de borde se tomó una condición limite, es

decir un tirante normal con pendientes de 0.005 (0.5%) al inicio y al final del tramo simulado. Los

datos históricos disponibles son caudales diarios desde el año 1922.

Los resultados arrojaron cotas de inundación para los 6 períodos de retorno simulados, las

cuales se pueden verificar gráficamente en las secciones transversales y en las tablas de reporte por

perfil ó por sección, generadas por el HEC-RAS (fig.12) Para visualizar las áreas inundadas en la

ciudad de Ica se ubica el espejo de agua en un plano con curvas de nivel de toda la zona urbana.

Figura 12.- Secciones transversales, perfiles y velocidades obtenidas del HEC-RAS

IDENTIFICACIÓN DE SECTORES CRÍTICOS O VULNERABLES FRENTE A

INUNDACIONES

Para identificar las áreas críticas inundables en el tramo urbano de la ciudad de Ica, se

procedió a revisar todos los cuadros y gráficos que resultaron de estudios anteriores al aplicar la

modelación numérica con HEC-RAS. En ese sentido se seleccionó seis secciones transversales con

sus cotas o niveles de terreno y cotas o niveles de lámina de agua; para compararlos con los

resultados obtenidos por la presente investigación (tabla 2), considerando un periodo de retorno de

T=50 años, por ser el nivel de recurrencia histórico y además tener la más alta probabilidad.

Tabla 2.- Resultados de la simulación con HEC-RAS

Tabla 3.- Resultados Áreas de Inundación de la simulación con HEC-RAS

AREAS DE INUNDACION EN EL RIO ICA

PROGRESIVAS

ÁREA TOTAL DE INUNDACIÓN

PARA DIFERENTES PERIODOS DE

RETORNO (m²) ÁREA

DEL RÍO

(m²)

ÁREA TOTAL DE INUNDACIÓN

FUERA DEL CAUCE (m²)

Tr=50 años Tr=100

años

Tr=1000

años

Tr=50

años

Tr=100

años

Tr=1000

años

37+000 - 38+000 3.832.733 3.902.099 4.129.960 15.662 3.817.071 3.886.437 4.114.298

36+000 - 37+000 3.680.312 3.788.230 4.278.555 19.628 3.660.684 3.768.602 4.258.927

35+000 - 36+000 4.414.419 4.476.817 4.793.926 31.326 4.383.093 4.445.491 4.762.600

34+000 - 35+000 4.495.137 4.548.277 5.042.015 17.041 4.478.096 4.531.236 5.024.974

33+000 - 34+000 4.614.057 4.815.145 5.289.220 15.312 4.598.745 4.799.833 5.273.908

32+000 - 33+000 2.466.542 2.552.413 2.879.083 14.645 2.451.897 2.537.767 2.864.437

31+000 - 32+000 1.321.122 1.471.250 1.846.777 13.014 1.308.108 1.458.236 1.833.763

Fuente: Elaboración Propia (HBR)

CONCLUSIONES

1.- De la evaluación del tramo, se comprueba que para un periodo de retorno T=50 años con una

descarga máxima de Q=555 m3/seg, existe la probabilidad de inundación de un 68.18% de su

longitud en ambas márgenes; de 22.72% de su longitud en una sola margen derecha y solamente un

9.10% de la longitud con posibilidades de no inundarse en tramos de 100 metros como máximo.

Tabla 3.

2.- Es evidente, que para periodos de retorno mayores (con descargas máximas mayores, ver cuadro

anterior) que también fueron evaluados en la presente investigación, se incrementan los porcentajes

de áreas inundables, hasta llegar a un nivel del 96.14% del tramo urbano, para un periodo de retorno

T=1000 años. En lo que se refiere a periodos de retorno menores se mantiene la tendencia pero en

forma negativa.

3.- Como resultado de la simulación se obtuvieron, para las diferentes configuraciones de caudal,

profundidades de flujo y velocidades que pueden ser exportadas al SIG y obtener mapas de

inundaciones y así como las áreas resultantes, para cada caso, a partir los cuales se determine el

nivel de riesgo.

NIVEL DE

LAMINA

HBR

LEFT ELEV

(m)

RIGHT ELEV

(m)

W.S. ELEV

(m)

37+000 408.50 408.50 408.52

36+500 406.50 407.00 407.40

35+500 403.81 404.00 405.06

35+100 405.49 405.87 404.78

34+200 404.00 404.04 401.57

32+500 398.00 398.00 398.49

NIVEL DE LAMINA ATA-

PETACCPROGRESIVA

Fuente: Elaboración propia (HBR)

CUADRO COMPARATIVO DE RESULTADOS

4.- Con la elaboración de mapas de peligro (zonas inundables) las entidades como el Gobierno

Regional de Ica, La Municipalidad Provincial de Ica, INDECI, podrán establecer un sistema de

alerta temprana como parte de la Gestión de Riesgo para actuar con rapidez frente a una amenaza de

inundación.

5.- La comunicación, capacitación y organización de la población en su papel que le corresponde

frente a la amenaza identificada es primordial para consolidar la gestión de riesgo.

REFERENCIAS

Benito, H. R. (2015) Tesis para optar el grado de Maestro “Evaluación del modelo hidráulico del rio Ica

aplicando HEC - RAS, como herramienta en la gestión de riesgo de inundaciones en el tramo urbano de la

ciudad de Ica”

PETACC (2008). “Estudio de Pre-factibilidad del proyecto de inversión pública Control de Desbordes e

Inundaciones del rio Ica y Quebrada Cansas/Chanchajalla”

CENEPRED (2014) “Manual para la Evaluación de Riesgos Originados por Fenómenos Naturales” 02

Versión, Publicado por el Centro Nacional de Estimación, Prevención y Reducción del Riesgo de Desastres

(CENEPRED).

Manual del HEC-RAS (2010) “Manual del Usuario HEC RAS versión 4.10”