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• Cesar Jhonny Alvarado Romero

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ESTUDIO HIDROLOGICO PARA DETERMINACIÓN DE MÁXIMAS AVENIDAS CON SIMULACIÓN EN INUNDACIONES CON FINES DE ENCAUZAMIENTO Y DEFENSA RIBEREÑA DELRIO CASMA Proyecto:

MEJORAMIENTO DEL ENCAUZAMIENTO Y DEFENSA RIBEREÑA DELRIO CASMA POR EMERGENCIA ENTRE LOS SECTORES SANTA ANA A CARRIZAL, DISTRITO DE CASMA, PROVINCIA DE CASMA-ANCASH

RIO CASMA

Cerro

Ing° Cesar Johnny Alvarado Romero – Consultor en estudios de Aguas Subterráneas [email protected], Cel: 943491774RPM*749194- RPC 993331150

SECTORES: SANTANA (ALTURA CENTRO POBLADO SANTANA Y CARRIZAL (PUENTE PANAMERICANA NORTE) DISTRITO : PROVINCIA

CASMA :

CASMA

ESTUDIO HIDROLOGICO PARA DETERMINACIÓN DE MÁXIMAS AVENIDAS CON SIMULACIÓN EN INUNDACIONES CON FINES DE ENCAUZAMIENTO Y DEFENSA RIBEREÑA DELRIO CASMA

REGIÓN

:

ANCASH AGOSTO 2013

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INDICE

......................................................................................................................................................................1 1.- INTRODUCCION..................................................................................................................................4 1.1.-NOMBRE DEL INFORME Y OBJETIVOS.....................................................................................4 2.-COMPONENTE 1: IDENTIFICACIÓN DE LA ZONA....................................................................4 3.-COMPONENTE 2: NIVELES DE INUNDACIÓN EN EL LUGAR DEL PROYECTO................5 3.1.-HIDROLOGÍA.....................................................................................................................................5 3.2.-RIESGO DE INUNDACIÓN..............................................................................................................6 3.3.-REGIMEN HIDRAULICO ................................................................................................................6 3.3.1.- RÉGIMEN PERMANENTE UNIDIMENSIONAL.....................................................................6 3.4 SIMULACION DEL ESCENARIO DE INUNDACIÒN..................................................................8 3.4.1MODELO MATEMATICO DE SIMULACIÓN EMPLEADO.....................................................8 3.4.2COEFICIENTE DE RUGOSIDAD...................................................................................................9 3.4.3CONDICIONES DE BORDE.............................................................................................................9 .....................................................................................................................................................................9 3.4.4CAUDALES.........................................................................................................................................9 4.-RESULTADOS........................................................................................................................................9 4.1. SIMULACIÓN UNIDIMENSIONAL................................................................................................9 4.2. DELIMITACION DE ZONAS DE INUNDACIÓN........................................................................10 5.-CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES..................................................................................10 5.1.-CONCLUSIONES..............................................................................................................................10 5.2.-RECOMENDACIONES....................................................................................................................12 6.-ANEXOS................................................................................................................................................12

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1.- INTRODUCCION 1.1.-NOMBRE DEL INFORME Y OBJETIVOS

2.-COMPONENTE 1: IDENTIFICACIÓN DE LA ZONA 2.1. UBICACIÓN 2.2. RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN Y TRATAMIENTO -

Topográfica: curvas de nivel a cada metro de elevación, secciones

transversales,

pendientes.

Obtenidos

del

levantamiento topográfico. -

Cartográfica: Catastro (PETT - PROFODUA) en entorno SIG, cartas del IGN (cuadrante 18-F), vistas satelitales de referencia

del

Google

Earth.

Todos

estos

datos

se

encuentran georeferenciados en el sistema UTM – WGS84 Zona 17 Sur -

Hidrometeorológica: caudales (registro de aforos) y datos de expediente.

-

Geomorfológico e Hidráulica fluvial: rugosidad del lecho y planicies.

-

Geología. (Carta INGEMMET).

Rio Santa

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Fig. 1. Vista satelital (Google Earth) indicando el sector de análisis.

3.-COMPONENTE 2: NIVELES DE INUNDACIÓN EN EL LUGAR DEL PROYECTO 3.1.-

HIDROLOGÍA

Cuadro 3.1. Caudales máximos para diferentes tiempos de retorno T retorno

Caudal

años

m3/s

2

721.40

5

1088.23

10

1351.12

5

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3.2.-

25

1703.71

50

1980.25

RIESGO DE INUNDACIÓN La inundación es uno de los desastres más grandes de

mayor impacto económico y humano. El riesgo de inundación, se puede interpretar como el producto de la amenaza por la vulnerabilidad. La amenaza está relacionada a la solicitación hidráulica, es decir está determinada por la escala del diseño hidrológico de las estructuras para el control de agua. De este modo la probabilidad que un evento ocurra al menos una vez en “n” años sucesivos, considerando un tiempo de retorno (Tr), es conocido como riesgo o falla R y se representa por: R = 1 − (1 −

1 n ) Tr

(Ecuación 3.1)

El presente informe se basa en las recomendaciones expuestas en la Guía Metodológica, en la cual se define tiempos de retorno de 10, 25 y 50 años para obras de defensa Ribereña. 3.3.-

REGIMEN HIDRAULICO

3.3.1.-

Régimen permanente unidimensional

Se puede simplificar el flujo del agua en un cauce natural como unidimensional, es decir, la profundidad y velocidad sólo varían en la dirección longitudinal del canal, cuyo eje se supone aproximadamente una línea recta, la velocidad es constante en cualquier punto de una sección transversal Si mantenemos la hipótesis metodológica de un flujo permanente, es decir que el caudal no varía con el tiempo, pero con una variación paulatina de la velocidad en el espacio, y por tanto del tirante, al no modificarse el caudal, el régimen recibe

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el nombre de gradualmente variado, y en él se produce una distribución hidrostática de las presiones. Los perfiles pueden analizarse considerando régimen supercrítico y subcrítico. Para la estimación de velocidades y calados se suele aplicar el denominado método de paso estándar (Standard Step Method), que resuelve la ecuación dinámica del flujo gradualmente variado igualando la energía en dos secciones consecutivas mediante

un

procedimiento

cíclico

de

aproximaciones

sucesivas. Para ellos se empleó el modelo computacional HECRAS (River Analysis System; USACE), El modelo HEC-RAS realiza los cálculos de niveles de agua utilizando la ecuación de la energía (Ecuación 3.2):

Z1 +

P1 V2 P V2 + α 1 1 = Z 2 + 2 + α 2 2 + ∆H γ 2g γ 2g

(Ecuación 3.2)

Figura 2. Representación del balance de energía.

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Donde: Zn + Pn / γ

Nivel de la superficie libre de agua en los

(m)

extremos del tramo. Velocidad media en la sección mojada en

Vn (m)

∝1, ∝2,

los extremos del tramo. Coeficiente de la no-uniformidad de distribución de las velocidades en la sección mojada.

g = 9.81

Aceleración por gravedad

m3/s

Total de pérdidas de energía en el tramo

∆H (m)

del curso de agua considerado en el cálculo, de una longitud L.

3.4 3.4.1

SIMULACION DEL ESCENARIO DE INUNDACIÒN MODELO MATEMATICO DE SIMULACIÓN EMPLEADO Para la aplicación del modelo matemático se ha empleado

el Sistema de Análisis de Ríos del Cuerpo de Ingenieros de la Armada de los Estados Unidos HEC – RAS versión 3.1.3 y su aplicación en entorno GIS denominado HEC – GeoRAS 3.1.1. Este software realiza cálculos hidráulicos de cursos naturales o artificiales en una dirección (unidimensional) y cuenta además con los procedimientos de cálculo para simular los efectos hidráulicos debido a estructuras hidráulicas. Puede manejar una red completa de canales, una localización singular en un río y es capaz de modelar perfiles en régimen subcrítico, supercrítico o mixto.

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3.4.2

COEFICIENTE DE RUGOSIDAD La metodología empleada para la elección del n de Manning y definición del cauce principal consistió en la asignación de valores mediante tablas para cauce de ríos con acarreo irregular. Se consideró un n = 0.030 Cabe mencionar que en cursos naturales, los valores de “n” no son constantes debido a la complejidad del cauce. Sin embargo, generalmente se evalúa la formula de Manning bajo condiciones de n = constante para tramos cortos.

3.4.3

CONDICIONES DE BORDE El tramo en análisis se analiza bajo régimen permanente y mixto (subcritico y supercrítico). Como condiciones de contorno se ha utilizado el criterio de tirante normal con una pendiente de 0.004

3.4.4

CAUDALES El presente estudio considera el análisis del flujo en régimen permanente es decir, el caudal no varía con el tiempo. Se considera el caudal pico en cada avenida por cada año hidrológico.

4.-RESULTADOS 4.1. SIMULACIÓN UNIDIMENSIONAL Los resultados de las simulaciones realizadas, consistente en la descripción de valores máximos obtenidos para el tirante y velocidad de diseño, corresponde a la avenida de 50 años de

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tiempo de retorno (Q = 235.30 m3/s). Esto se puede apreciar en los planos de áreas inundadas.

Fig. 3. GEOMETRÌA HEC – RAS Y MODELO DE ELEVACION DIGITAL DEL TERRENO (msnm) 352 secciones transversales

Las secciones del río, se han obtenido por medio de la importación

del

archivo

de

salida

del

Hec-GeoRas

con

estaciones de control hacia aguas arriba: Tramo 0+000 hasta 7 + 020 km 4.2.

DELIMITACION DE ZONAS DE INUNDACIÓN Las

zonas

inundables

por

la

circulación

del

caudal

correspondiente a las crecidas de periodo de retorno de 10, 25 y 50 años se muestran en los planos de inundaciones. 5.-CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1.-

CONCLUSIONES.

Con respecto a la hidrología:

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-

De acuerdo a la recopilación de información hidrológica, para el

diseño de Dique Enrocado entre los sectores

Santana (altura

centro poblado Santana y Carrizal (Puente Panamericana Norte) para un un evento máximo quedaría definido con una avenida de 50 años de tiempo de retorno. Otras avenidas de 10 y 25 años analizadas,

representan

información

importante

para

la

determinación de las obras menores y toma de decisión de los proyectos futuros. -

La simulación corresponde a un evento máximo, donde la

cabecera de cuenca logre activarse, generando los caudales pico descritos anteriormente Con respecto al análisis hidráulico: -

De acuerdo a las velocidades generadas en los cálculos. Para un

caudal de tiempo de retorno de 50 años se tienen valores que llegan a alcanzar los 3.318 m/s, en algunos sectores, debido a que se trata de un río entrelazado y al término del sector en análisis. Los tirantes llegan hasta 1.36 m. Con un ancho estable de 50 metros. -

El parámetro de la velocidad deberá servir para determinar la

protección de la capa superficial por medio de recubrimientos con materiales resistentes a dichas velocidades y de control de erosión. -

De acuerdo al número de Froude para una avenida de 50 años

de tiempo de retorno en el tramo, éste alcanza valores cercanos a 0.907 Esto nos indica que los cauces presentan una superficie de agua con medianas ondulaciones, es decir un flujo subcrítico. -

La

hidráulica

computacional

actualmente

representa

una

herramienta versátil en la predicción del comportamiento del río. A la fecha, aun no se puede afirmar que un modelo computacional incluye todas las características de un río, podemos citar el 11

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transporte de sedimento con fenómenos de laminación de avenidas y comportamiento tridimensional que estan a nivel de investigación y por lo tanto no se incluyen en modelos como el HEC-RAS. Sin embargo es la mejor aproximación para proyectos de defensa ribereña a la fecha. Con respecto a los resultados: -

Con los tirantes obtenidos, la información topográfica y su

complemento, se ha logrado realizar una aproximación del área inundable. Así, se tendría para un evento de avenida de 50 años de tiempo de retorno (Q = 235.30 m3/s) un total de 55.92 Has inundadas. Este valor indica la inundación directa, que podría ocurrir, por no contar con una protección en dicha zona. -

Para los eventos de 25 y 10 años se obtienen valores menores

de área inundable: 31.26 Has y 25.84 Has respectivamente. 5.2.-

RECOMENDACIONES

6.-ANEXOS - RESULTADOS DEL MODELO - PLANOS -

Plano Nº1: Llanura inundable para un Tr=10 años, Tr=25 años y Tr = 50 años

-

Plano Nª2. Tirantes Tr = 50 años

-

Plano Nº3: Velocidades Tr=50 años

-

Secciones Transversales de Aguas Arriba Hacia Aguas Abajo

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