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IAHR AIIH
XXVII CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA
LIMA, PERÚ, 28 AL 30 DE SETIEMBRE DE 2016
MODELAMIENTO NUMÉRICO DE UNA ONDA DE AVENIDA Y SU
ESTIMACIÓN DE RIESGO - APLICACIÓN A LA
PRESA YURACMAYO
Yonatan Bustamante Huaman (1), Douglas Sarango Julca (2) (1) Ingeniero Mecánico de Fluidos, Bachiller en Ingeniería de Sistemas, Perú, [email protected]
(2) Ingeniero Mecánico de Fluidos, MSc. Ingeniería de Recursos Hídricos, Perú, [email protected]
RESUMEN:
En el mundo existen diversos tipos de presas caracterizadas por su tamaño y su volumen de
embalse, y que son necesarias para el desarrollo de los países, pero también pueden llegar a
representar un gran peligro si es que se produce su colapso.
La rotura de una presa es un fenómeno ocasional pero catastrófico, existen casos en que han
causado pérdidas de vidas humanas, económicas, infraestructura y culturales. Esto sucede, por que
al momento de la rotura, aguas abajo los centros poblados y grandes ciudades no están preparados
para poder afrontar esta situación. Una forma de anticiparse al escenario de una rotura de presa es
modelar la inundación y analizar el riesgo, y contar con un mapa de riesgo de zonas de inundación y
posibles zonas de seguridad.
Hoy en día una herramienta informática de mucho uso en modelamiento hidráulico es el
HEC-RAS, desarrollado por el US Army Corps of Engineers, ya que permite simular el
rompimiento de presa de tierra y el desplazamiento de la onda de avenida.
PALABRAS CLAVES: rotura de presa, inundación, mapa de riesgo, modelamiento hidráulico
ABSTRACT:
In the world there are different types of dams characterized by their size and volume of the
reservoir, and which are necessary for developing countries, but they can also come to represent a
great danger if their collapse.
Breakage of a dam is an occasional but catastrophic phenomenon, there are cases that have
caused loss of human, economic, infrastructure and cultural lives. This happens, because at the time
of the break, downstream towns and big cities centers are not prepared to face this situation. One
way to anticipate the scene of a dam break flood is to model and analyze the risk of flooding, and
have a risk map of potential flood zones and security zones.
Today a computer tool of much use in hydraulic modeling is the HEC-RAS, developed by
the US Army Corps of Engineers, and to simulate the breaking of earthen dam and displacement of
the flood wave.
KEY WORDS: dam break, flood risk map, hydraulic modeling
INTRODUCCIÓN
En la provincia de Huarochiri, distrito de San Mateo, departamento de Lima existe una
laguna artificial formada por la Presa Yuracmayo. Esta estructura hidráulica es de suma
importancia para el desarrollo de la región centro del Perú ya que regula el caudal del rio Rímac
para abastecimiento de agua y la producción de electricidad. Al ser esta de grandes dimensiones y
tener un volumen de embalse sumamente grande, es necesario generar un escenario de rotura de
presa, ya que de suceder, el aluvión formado seria de enormes proporciones y el desastre
ocasionado sería incalculable.
En la presente investigación se presenta el modelamiento numérico de la una onda de
avenida generado por la rotura de una presa de tierra, usándose el modelo unidimensional HEC-
RAS, desarrollado por el US Army Corps of Engineers, simulándose la rotura de la presa de tierra
Yuracmayo, ubicada en la naciente del rio Blanco cuenca del río Rímac, y como resultado se
obtiene el mapa de riesgo de inundación para los centros poblados ubicados aguas abajo de esta
presa Yuracmayo, Chocna, Caruya y Rio Blanco.
OBJETIVOS
Simular la onda de rotura generada por el colapso de la presa de tierra Yuracmayo utilizando el
modelo HEC-RAS.
Generar planos de riesgo para la zona aguas debajo de la presa, utilizando herramientas SIG.
MARCO TEÓRICO
Las inundaciones: Son un evento catastrófico y recurrente para un rio. Se producen cuando lluvias
intensas o continuas sobrepasan la capacidad de infiltración y retención del suelo, la capacidad
máxima de transporte del rio es superada y el cauce principal se desborda e inunda los terrenos
cercanos a los propios cursos del agua.
Inundaciones por rotura: La propagación de la onda de agua generada por la rotura de una presa
resultara más dañina cuanto mayor sea el caudal circulante, menor el tiempo de propagación y
dependerá de los elementos existentes en la zona de afectación como infraestructuras de servicios
esenciales para la comunidad, núcleos de población, espacios naturales protegidos, explotaciones
agropecuarias, viviendas, parques, espacios recreativos, etc.
Modelo matemático: Un modelo numérico es una representación teórica de un fenómeno natural,
típicamente expresado en forma matemática que permite una mejor comprensión y estudio de su
comportamiento.
Modelo numérico: Son programas computacionales que resuelven las ecuaciones aproximadas que
rigen fenómenos naturales como las ecuaciones de Saint-Venant.
Modelo HEC-RAS: El programa HEC-RAS es un modelo hidráulico comercial unidimensional
muy difundido, desarrollado por el Centro de Ingeniería Hidrológica (Hydrologic Engineering
Center (HEC)) del Cuerpo de Ingenieros de la Armada de los EE.UU (US Army Corps of
Engineers), y que permite la modelación hidráulica en régimen permanente y no permanente en
lámina libre de cauces abiertos, ríos y canales artificiales.
Para régimen no permanente HEC-RAS resuelve las ecuaciones completas de Saint Venant
mediante el método de diferencias finitas implícitas, utilizando el esquema de Preissmann y
permite realizar la simulación de una rotura de presa y analizar la onda de avenida generada valle
aguas abajo.
ÁREA DE ESTUDIO
Para realizar el modelamiento numérico de la rotura de presa, se eligió como área de estudio a la
presa de tierra Yuracmayo, ubicada en el distrito de San Mateo, provincia de Huarochirí,
departamento de Lima, y para simular la inundación provocada por la onda de avenida, se utilizó
las características topográficas del embalse de Yuracmayo y del río blanco aguas debajo de la presa,
tal como se muestra en la Figura 1.
Figura 1.- Ubicación del área de estudio
INFORMACIÓN NECESARIA
Para realizar el modelamiento numérico de una rotura de presa se requiere algunos elementos
previos como son las características geométricas de la presa, una topografía a escala adecuada de la
zona de estudio, valores de rugosidad del valle aguas abajo, las condiciones iniciales y de contorno
del rio en estudio, además, se necesitará de una extensión del software ArcGIS, llamado HEC-
GeoRAS que ha sido desarrollado por el Hidrologic Engineering Center (HEC) con la
colaboración del Instituto que desarrollo el ArcGIS (ESRI).
En la Figura 2 se muestran los elementos principales para definir la geometría y topografía de la
zona de estudio.
Figura 2.- Elementos importantes para definir la geometría y topografía de la zona de estudio.
A continuación, a modo de resumen se presenta un esquema con los pasos seguidos para realizar la
simulación de rotura de presa (Figura 3).
Figura 3.- Procesos para realizar el modelamiento hidráulico
Limites de inundación (Flowpaths)
Presa
Yuracmayo
Cauce principal (Stream centerline)
Secciones transversales (XS Cut Lines)
Márgenes del cauce (Banks)
Laguna
Yuracmayo
Los datos obtenidos se importan al HEC-RAS y luego se ingresan las condiciones de contorno,
geometría faltante, coeficientes de Manning, y otros necesarios antes de realizar el Cálculo
Hidráulico. Para dimensionar la brecha de rotura se utilizó el método recomendado por el
Ministerio de Medio Ambiente de España. En la Figura 3 se resume las características generales de
la brecha de rotura.
Figura 4.- Introducción de los parámetros de la brecha
RESULTADOS
El software HEC-RAS tiene la opción de modelar dos diferentes formas de rotura de presa, por
desbordamiento (overtopping) y por tubificación (piping). Para el presente estudio se realizó la
simulación por turificación.
Figura 5.- Desarrollo de la brecha de rotura por tubificación
La rotura de presa se inicia a las 8:00 a.m. Los resultados se obtienen para algunas zonas críticas, en
diferentes tiempos de rotura, así por ejemplo a 50 minutos de iniciado la rotura de la presa, la onda
de rotura llega a su máximo nivel 15.41 m. inundando un 42 % del poblado Yuracmayo, Figura 6.
La máxima inundación para el poblado de Chocna ubicada a 12.32 km aguas abajo de la presa
Yuracmayo se presenta a los 52 minutos con una altura máxima de 10.76 m, el agua no llega al
poblado pues este se encuentra a 56 metros sobre el rio Blanco.
Presa
Yuracmayo
Las viviendas del poblado de Caruya, ubicada a 16.72 km aguas abajo de la presa Yuracmayo, se
encuentran ubicados entre 5 y 10 metros del río Blanco lo cual es muy peligroso debido a las
posibles inundaciones que se pueden presentar. La Máxima inundación en esta zona se presenta a
los 54 minutos con una altura máxima de 16.54 m.
Las viviendas del poblado Rio Blanco, ubicado a 18.33 km aguas abajo de la presa Yuracmayo, se
ubican en los márgenes de la carretera central. La Máxima inundación en esta zona se presenta a
los 54 minutos con una altura máxima de 15.66 m.
Figura 6.- Mapa de Inundación para diferentes tiempos de simulación en el poblado Yuracmayo
Según el Ministerio de Medio Ambiente de España la presa de Yuracmayo está caracterizada como
una gran presa, debido a sus dimensiones y al volumen del embalse, debido a esto el riesgo
potencial que generaría su rotura se clasifica como Categoría A (de alto riesgo), por tanto es
importante tener en cuenta los mapas de riesgo por inundación e implantar un plan de emergencia
por rotura de presa.
La inundación por rotura de presa es del tipo dinámica, debido a esto, la afección y los daños
generados están en función de las variables hidráulicas como la altura del flujo de agua y la
velocidad para una sección determinada y un tiempo determinado.
El criterio utilizado en este trabajo para determinar el riesgo de inundación por rotura de presa es el
que adopto la Agencia Catalana del Agua en su publicación “Recomendacions tècniques per als
estudis d’inundabilitat d’àmbit local” donde los criterios para determinar el riesgo moderado y alto
se consideran según la velocidad y calado o altura de Agua.
En la Figura 7 se muestra el mapa de riesgo, obtenidas de las envolventes máximas de inundación
(Velocidades y Alturas de agua), para los poblados Yuracmayo, Caruya y Rio Blanco.
Figura 7.- Mapa de riesgo para diferentes tiempos de simulación en el poblado Yuracmayo
CONCLUSIONES
HEC-RAS pose todas las capacidades necesarias para realizar un modelado de la onda de rotura de
una presa y analizar las características físicas de la onda de rotura generado.
La aplicación de la metodología empleada a la rotura de la presa Yuracmayo, ha permitido obtener
mapas alturas y velocidades del flujo, y con estos datos se generó un mapa de riesgo que representa
la envolvente máxima de todos los mapas de riesgo que se crearía en cada instante del avance de la
onda de rotura.
Los poblados Yuracmayo, Caruya y Rio Blanco tienen un riesgo alto de inundación, debido a que el
flujo de agua inunda sus casas en un 42%, 76% y 41% respectivamente. Contrariamente a lo que
sucede en el poblado de Chocna, donde no llega el agua, ya que se encuentra a 56 m sobre el rio
Blanco.
Se ha obtenido que el tiempo promedio de arribo del pico máximo de la onda de rotura es 54
minutos, a los centros poblados de Yuracmayo, Caruya y Río Blanco por lo tanto, necesitaran
menos de ese tiempo para evacuar las zonas de riesgo.
Referencias Bibliográficas
Agencia Catalana de Agua (2003). “l’Aigua, Delimitació de zones inundables per a la redacció de
l’INUNCAT”. Departamento de medio Ambiente. Documentos técnicos.
Bladé, E. Sánchez, J. Sánchez H.P. Niñerola, D. Gómez M. (2009). “Modelación numérica en ríos en
régimen permanente y variable”. Una visión a partir del modelo HEC-RAS. Edición UPC.
Cea, Luis. Blade, Ernest. “Modelización matemática en lecho fijo del flujo en ríos – Modelos 1D y 2D en
régimen permanente y variable”. Grupo GIAMA. Grupo Flumen. E.T.S. de Ing. De Caminos. Fox, Robert. McDonald, T. Alan. (1995). “Introducción a la mecánica de los fluidos”. Cuarta edición.
McGraw-Hill. México. pp 19-43.
Ministerio de Medio Ambiente de España. (1996). “Clasificación de presas en función del riesgo
potencial”. Dirección General de Obras Hidráulicas y Calidad de las Aguas. Guía técnica
Ministerio de Medio Ambiente de España. (2001). “Guía Técnica para la elaboración de los planes de
emergencia de presas”. Dirección General de Obras Hidráulicas y Calidad de las Aguas - Secretaria de
Estado de Aguas y Costas.
HEC-RAS (2010). “River analysis system”. Guía de Aplicación. U.S. Army Corps of Engineer, Version 4.1.
HEC-RAS (2010). “River analysis system”. Guía de Referencias. U.S. Army Corps of Engineer, Version
4.1.
HEC-RAS (2010). “River analysis system”. Notas de Realización. U.S. Army Corps of Engineer,Versión
4.1.
HEC-RAS (2010). “River analysis system”. Manual de Usuario. U.S. Army Corps of Engineer,Versión 4.1.
HEC-GeoRAS (2011). “GIS Tools for Support of HEC-RAS using ArcGIS”. Manual de Usuario. U.S.
Army Corps of Engineer, Versión 4.3.