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:
[email protected], [email protected]
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historical references to flooding caused by the Ica River and its tributaries and the vulnerability of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”