CAPÍTULO DE INGENIERÍA CIVIL
MODELACIÓN DE HUAYCOS COMO HERRAMIENTA PARA LA GESTIÓN Y PREVENCIÓN DE DESA DES ASTRES Huaycos, desastres y mitigación
DESASTRES Y VULNERABILIDAD
Un desastre se define como el estado e stado en que una población (grupo o individuo) no es capaz de hacer frente, es decir, no es capaz de superar los efectos negativos de un evento extremo, sin ayuda externa. Esta definición se ajusta a la visión moderna de desastre como un evento social, donde las personas en riesgo son vulnerables a los efectos e fectos de un evento natural extremo, debido a sus condiciones sociales. El proceso de mitigar o prevenir desastres de sastres es la gestión del riesgo. La gestión del riesgo se define como la suma de todas las acciones tomadas antes, durante, o después de un evento extremo para evitar desastres. La gestión del riesgo no es sólo una tarea técnica, sino que debe conducir a mejorar el bienestar general de las personas amenazadas por eventos extremos.
DESASTRES Y VULNERABILIDAD
Un desastre se define como el estado e stado en que una población (grupo o individuo) no es capaz de hacer frente, es decir, no es capaz de superar los efectos negativos de un evento extremo, sin ayuda externa. Esta definición se ajusta a la visión moderna de desastre como un evento social, donde las personas en riesgo son vulnerables a los efectos e fectos de un evento natural extremo, debido a sus condiciones sociales. El proceso de mitigar o prevenir desastres de sastres es la gestión del riesgo. La gestión del riesgo se define como la suma de todas las acciones tomadas antes, durante, o después de un evento extremo para evitar desastres. La gestión del riesgo no es sólo una tarea técnica, sino que debe conducir a mejorar el bienestar general de las personas amenazadas por eventos extremos.
DESASTRES Y VULNERABILIDAD Un desastre natural es un desastre causado por eventos naturales extremos. Se produce sólo si un evento natural extremo afecta a una población vulnerable.
¿Qué es vulnerabilidad? La vulnerabilidad, es el grado de debilidad o exposición de un elemento o conjunto de elementos frente a la ocurrencia ocurrencia de un peligro natural o antrópico de una magnitud dada. Si la causa principal es de origen natural, el impacto y la magnitud de un desastre son determinados por la influencia humana. Asociado con la ocurrencia de huaycos hay dos tipos de problemas: 1. determinar de huaycos para la planificación 2. previsión de huaycos para la alerta temprana
DESASTRES Y VULNERABILIDAD ¿Quién es vulnerable? Objetos o personas podrían ser vulnerables. Estos son elementos en riesgo (EAR).
Tipos de vulnerabilidad: 1. Vulnerabilidad monetaria: la vulnerabilidad se puede expresar en términos de costo para el restablecimiento de las condiciones anteriores
2. Vulnerabilidad social: refleja la condición social de las personas en situación de riesgo
3. Vulnerabilidad ambiental: describe la sensibilidad del medio ambiente a los daños de los eventos extremos
DESASTRES Y VULNERABILIDAD Tipos de riesgos Riesgo intuitivo: riesgo percibido, difícil de cuantificar, pero criterio de decisión importante en casos sensibles (!la energía nuclear!)
Riesgo de seguro: consecuencia = valor del objeto asegurado (edificio, vida, etc)
Riesgo de diseño: incluye el riesgo de seguro (para edificios) pero también las consecuencias de fallas de construcción
Riesgo residual: consecuencias debido a la falla del sistema: • • •
consecuencias sociales consecuencias económicas consecuencias ecológicas
MAPA DE SUSCEPTIBILIDAD A HUAYCOS (CAN, 2009)
¿SE ESTÁ INCREMENTANDO LA OCURRENCIA DE EVENTOS?
¿SE ESTÁ INCREMENTANDO LA OCURRENCIA DE EVENTOS? 13.0
12.0
Ene Mar May Jul Set Nov 2 per. media móvil (Jun)
Feb Abr Jun Ago Oct Dic 2 per. media móvil (Dic)
11.0
10.0
9.0
8.0
7.0
6.0
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8
¿SE ESTÁ INCREMENTANDO LA OCURRENCIA DE EVENTOS?
¿SE ESTÁ INCREMENTANDO LA OCURRENCIA DE EVENTOS?
POSIBLES CAUSAS
Factores externos: Clima y tiempo uso excesivo y destrucción del medio ambiente
Factores locales: aumento de la población (urbanización) Migración en áreas en peligro
DESASTRES Y VULNERABILIDAD Población de la ciudad de Lima (millones de habitantes)
DESASTRES Y VULNERABILIDAD Porcentaje de superficie ocupada ilegalmente del total de zona urbana en algunos ciudades de países en desarrollo (obtenido a partir de diferentes fuentes por Domeisen et.al. 1996)
¿QUÉ HACER?
REDUCIENDO IMPACTOS
Para mejorar la seguridad de las personas en lo que respecta a los desastres, se debe desarrollar medidas de mitigación apropiadas basadas en el reconocimiento de los cambios tanto en la vulnerabilidad y en la resistencia. Hay tres formas diferentes de mitigación de desastres Podemos reducir la vulnerabilidad
•
Podemos aumentar la resistencia.
•
Podemos reducir el impacto
•
REDUCIENDO IMPACTOS
El problema es cómo hacerlo.
Idea clave: se trata de un problema de optimización, a ser resueltos por medio de los métodos de investigación de operaciones. Para ello, todos los parámetros de entrar el problema tiene que ser puesto en relación apropiada
¿CÓMO EVITAR LOS FLUJOS DE ESCOMBROS?
La promoción de medidas tanto estructurales y medidas no estructurales puede prevenir desastres relacionados con sedimentos. Las medidas estructurales son construcciones de instalaciones, (como la presa Sabo), y las no estructurales son medidas como el establecimiento de sistemas de alerta y refugio.
¿AMENAZA DE HUAYCO? (1)
Para evaluar el potencial de ocurrencia de flujo de escombros debido a la erosión de lecho, se debe tomar en cuenta la siguiente ecuación:
donde ho= es el tirante de agua sobre el sedimento; dp es el diámetro de partícula; k es la tranmisividad lateral; y q es la pendiente del lecho. Si se cumple, hay alta probabilidad de ocurrencia. Asimismo, para el lecho en cuestión, podemos encontrar el caudal mínimo que cumpla esta condición (qc).
¿AMENAZA DE HUAYCO? (2)
Conociendo el caudal que circula por la quebrada (análisis hidrológico), podemos definir la variable X:
y decir que: si X>1, hay potencial de ocurrencia de huaycos
PROBABILIDAD DE OCURRENCIA
¿CÓMO EVITAR LOS FLUJOS DE ESCOMBROS?
MEDIDAS DE PREVENCIÓN •
Construir en lugares donde no han ocurrido aluviones, ni en pendientes de terreno inestable o en zonas inundables.
•
Sembrar árboles y arbustos ya que éstos proporcionan estabilidad al suelo.
•
Establecer un sistema de vigilancia y alerta en las quebradas (silbato, campana, trompeta, triángulo, megáfono, etc.).
•
Preparar un maletín de emergencia que contenga ropa, agua y alimentos no perecibles.
•
Identifica y difunde las zonas de seguridad y las rutas de evacuación con apoyo técnico de la oficina de Defensa Civil de tu localidad.
TRABAJOS EN LADERA (1)
La forestación adecuada de laderas desnudas y la conservación adecuada de estas pendientes frenará la ocurrencia de flujo de escombros. En general se requiere de las siguientes tareas: evitar el movimiento de la superficie del suelo “banqueteando” las pendientes, adición de suelo fértil, reteniendo agua y luego la plantación de árboles que fácilmente enraícen, y finalmente la restauración de la fisonomía original del bosque.
TRABAJOS EN LADERA (2)
DRENAJE
Deslizamientos de tierra bien enraizada a gran escala son causadas por la subida del nivel de las aguas subterráneas y, y, a veces se transf t ransforma orma en flujo de d e escombros. El drenaje no es solución suficiente para detener flujos de escombros pero sí para evitar la reactivación de un deslizamiento y es un método estándar de ingeniería.
PRESAS SABO (1)
PRESAS PRES AS SABO (FUNCIONAMIENT (FUNCIONAMIENTO) O)
PRESAS PRES AS SABO (FUNCIONAMIENT (FUNCIONAMIENTO) O)
PRESAS TIPO REJILLA
BARRERAS FLEXIBLES (1)
BARRERAS FLEXIBLES (2)
BARRERAS FLEXIBLES (3) •
Aplicable para volúmenes de escombros de hasta 1000m3.
•
Durante un evento, la distribución de presión total en la red se puede aproximar discretizando el tiempo de llenado continuo y luego mediante el seguimiento de sobretensiones sobre los depósitos originales.
•
Para una barrera completamente llena, desbordante material de escombros carga la red con un componente de fuerza normal y de corte.
BARRERAS FLEXIBLES (4)
BARRERAS FLEXIBLES (5) •
Debido a la permeabilidad de la red, los flujos de escombros se drenan como resultado de la retención del material sólido.
•
La longitud detenido de el flujo de los escombros y la cantidad de material define la llamada razón de longitud/masa.
•
El llenado continuo de la barrera puede ser modelado ahora paso a paso: Después de que el primer impacto el material adicional anula la primera oleada detenido proporcionando peso adicional y compresión a los sedimentos subyacentes liberando así la mayor parte del agua de los poros en el tiempo.
BARRERAS FLEXIBLES (6)
OTRAS SOLUCIONES INGENIERILES
Cualquier medida estructural requiere un monitoreo permanente.
MODELAR PARA PREVENIR Y MITIGAR, UNA HERRAMIENTA
SOFTWARE Amenaza Alta Amenaza Media Amenaza Bajo
MODELOS FÍSICOS (1)
QUEBRADA EXPERIMENTAL (Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape - WSL) CANALETA EXPERIMENTAL
MODELOS FÍSICOS (2)
CANAL EXPERIMENTAL (Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape - WSL)
EJEMPLO: POZA DE ATENUACION Y RETENCIÓN DE MATERIALES SÓLIDOS
ZONA DE ESTUDIO La zona de estudio está ubicada políticamente en la Región Tacna, Provincia de Jorge Basadre distrito de Ilabaya, entre las coordenadas 70 °26´30” y 70°34´21” de longitud Oeste del Meridiano de Greenwich; 17 °07´48” y 17°25´21” de latitud Sur. Pertenece a la Cuenca hidrográfica del Pacífico y confluye al río Ilabaya por su margen derecha. Tiene una extensión de 170.86 Km2, con una longitud de cauce principal de 31.91 Km aproximadamente y un perímetro de 105.2 Km. Altitud mínima de 1371 m.s.n.m y una máxima de 4815 m.s.n.m. Pendiente promedio de 31.16% y pendiente del cauce principal 8.96%.
METODOLOGÍA UTILIZADA
Generación de Hidrograma líquido
METODOLOGÍA UTILIZADA
Generación de Hidrograma sólido - líquido
METODOLOGÍA UTILIZADA Se aplicó un modelo numérico bidimensional (FLO2D) para la simulación del flujo hiperconcentrado de barro, utilizando las ecuaciones que gobiernan el movimiento en su expresión más completa (onda dinámica). •El modelo considera el fluido homogéneo (una sola fase) de concentración variable, sin distinción entre los tamaños de sedimento. •La grilla seleccionada para el modelo es de 30m. •Se estimó como primera aproximación una distribución de Cv en el tiempo partiendo de un valor de 0.25 y aumentando gradualmente hasta 0.45. El pico de Cv debe ubicarse unos minutos antes del pico del hidrograma líquido. •El hidrograma de caudal líquido con la respectiva concentración volumétrica de sedimento, es la condición de borde aguas arriba. •Se asumió una rugosidad “n” de Manning de 0.04 en el cauce de la quebrada. •
METODOLOGÍA UTILIZADA Los parámetros reológicos del fluido se fijaron en función de la similitud encontrada entre las muestras de campo y las muestras incluidas en la literatura especializada. Las muestras tipo, provenientes de la literatura, fueron recolectadas de depósitos naturales de flujos de lodo en Colorado Rocky Mountain cerca de las ciudades de Aspen y Glenwood Springs, USA. Las ecuaciones utilizadas para el modelo son (O ´Brien & Julien, 1988): •
y
0.0360e
0.181e
22.1C v
25.7 C v
La gravedad específica del sedimento es igual 2.65. •El tiempo de simulación es de 20 horas. •
METODOLOGÍA UTILIZADA Para evaluar medidas de mitigación, se modifica la topografía y se introduce el elemento estructural a analizar. Para este caso, se proyectó ubicar una poza de las siguientes características: Elemento
Característica
Forma
Trapezoidal
Base menor
35m
Base mayor
55m
Longitud
120m
Ancho de la cresta 5m Altura
Variable: 5, 6, 7.5m
RESULTADOS Los resultados de la modelación sin la estructura tipo poza nos reportan los siguientes volúmenes: Flujo Hidrograma de entrada (INFLOW) Almacenamiento dentro del área de análisis Flujo fuera del área de simulación (OUTFLOW)
Agua (m3) 215876.61 111790.85 104085.76
Agua con sedimento (m3) 322769.48 164849.73 157919.75
RESULTADOS Simulación para tres posibles alturas de cresta: Altura de cresta (m) 5
6
7.5
Flujo
Agua (m3)
Agua con sedimento (m3)
Hidrograma de entrada (INFLOW)
215876.61
322769.48
Almacenamiento dentro del área de análisis Flujo fuera del área de simulación (OUTFLOW) Hidrograma de entrada (INFLOW)
146403.64
217082.73
69446.20
105643.93
215876.61
322769.48
Almacenamiento dentro del área de análisis Flujo fuera del área de simulación (OUTFLOW) Hidrograma de entrada (INFLOW)
146692.90
217425.39
69183.71
105344.09
215876.61
322769.48
Almacenamiento dentro del área de análisis Flujo fuera del área de simulación (OUTFLOW)
146988.23
217952.52
68861.89
104774.74
Deposición del huayco a lo largo de la quebrada Colocaya.
ANÁLISIS DE RESULTADOS PREMISA: se acepta como válido el hecho que para un volumen V de lodos, si conseguimos represar la tercera parte de dicho volumen, los dos tercios restantes sufrirán un fenómeno similar a un remanso y no descargarán aguas abajo.
Altura de cresta (m) Sin poza 5 6 7.5
Agua con sedimento (m3)
Volumen Retenido por Poza (m3)
157919.75 105643.93 105344.09 104774.74
-52275.82 52575.66 53145.01
La alternativa correspondiente a la poza de 6m de altura cumple con el requisito mencionado
EJEMPLO: SIMULACION DE FLUJO DE ESCOMBROS CON FLO2D EN LA QUEBRADA CANSAS, ICA
En el año 2007, el Proyecto Especial Tambo-Caracocha (PETACC) obtuvo el modelo FLO-2D versión 2006. Convenio Universidad de Miami-PETACC.
Chanchajalla Tinguiña Parcona
Ica
Análisis de la problemática de la Quebrada Cansas
Quebrada Cansas
Parámetros Geomorfológicos
Subcuenca de la Quebrada Cansas
Discretización del terreno
Configuración de mallado en zona de diques actuales
Caracterización Hidrológica
Descargas máximas simuladas por HFAM Fuente: ATA S.A
Hidrograma de avenida líquido, Quebrada Cansas Fuente: ATA S.A
Análisis de frecuencia s, Distrib. Gumbel
Caracterización Geotécnica Según ATA S.A, la quebrada Cansas tendría acumulado un volumen del orden de 300 x 10E6 m3 de arena), parte del cual es transportado a la parte baja hasta llegar al río Ica. El material de la quebrada es mayoritariamente grava con arena con un porcentaje de finos (arcilla y limos).
Hidrogramas de ingreso
Análisis e Interpretación de Resultados
Tirantes máximos (m)
Los tirantes máximos en la zona del cauce son de hasta 3.7 m debido a la acumulación de material aguas arriba de los diques existentes. En la parte baja de la quebrada, en la zona de encauzamiento se observan tirantes de hasta 4m debido a la disminución de la pendiente y el encajonamiento que se presenta antes de llegar a la confluencia con el río Ica.
Análisis e Interpretación de Resultados
Tirantes máximos (m)
En la zona de diques existentes podemos verificar el funcionamiento de los mismos y los tirantes de acumulación de material. En la zona de los diques, los tirantes máximos se encuentran en el orden de los 3.7 m. También se observa que en el caso de los 4 primeros diques el flujo llega a sobrepasar las crestas lo que nos da una idea del estado actual de esos diques.
Análisis e Interpretación de Resultados
EJEMPLO: SIMULACION DE FLUJO DE ESCOMBROS CON FLO2D EN LA QUEBRADA SANTO DOMINGO, CHOSICA
OBJETIVOS
•
Modelar numéricamente el flujo de lodos a lo largo de una quebrada.
•
Determinar posibles zonas de afectación frente a un flujo de lodos producto de un evento extraordinario en un período de 100 años.
ZONA EN ESTUDIO - UBICACION •
Distrito de Lurigancho, Provincia de Huarochiri, Departamento de Lima, en coordenadas 76°22´ 35” y 76°24´07” de longitud Oeste del Meridiano de Greenwich; 11°46´ 38” y 11°50´20” de latitud Sur.
•
Extensión: 4 km2
•
Altitud mínima de 850 m.s.n.m y máxima de 1750 m.s.n.m.
•
Su longitud de eje del cauce principal es de 3.85 km y presenta una pendiente promedio de 23%.
ZONA EN ESTUDIO - UBICACION
ZONA EN ESTUDIO - HIDROLOGIA CARACTERISTICA
RESULTADO Y COMENTARIO
Area (A) Longitud del cauce (L) Perímetro (P)
4 Km2 (cuenca pequeña) 3.98 Km (longitud del cauce principal) 9.33 Km
Parámetros de Forma de la Cuenca
Factor Forma de Horton
Rf = 0.25
Índice de Gravellius
Ic = 1.31
Razón de Circularidad
Rc = 0.58
Parámetros relativos al relieve
Altitud máxima
m.s.n.m.
1850
Altitud mìnima
m.s.n.m.
850
Pendiente Promedio
25%
ZONA EN ESTUDIO - HIDROLOGIA •
De acuerdo al estudio de la Cuenca del río San Mateo, realizado por la consultora CESEL Ingenieros S.A., para el estudio hidrológico de la quebrada Collana, la precipitación máxima para un tiempo de retorno de 100 años es de 38.3mm.
•
Asimismo, se obtiene que t =19.6 minutos y que t =11.8minutos. c
lag
•
Debido a que en algunos estudios hidrológicos de la zona de Chosica, los CN de las quebradas de la zona varían entre 78 a 83, asumiremos un valor de 82.
METODOLOGÍA •
Como primer paso, se procedió a ingresar los datos de cuenca al modelo HMS, para obtener el hidrograma (tr= 100 años).
•
Los resultados muestran un caudal pico de 9.4m3/s.
METODOLOGÍA •
Se asumió una rugosidad “n” de Manning de 0.04 en el cauce de la quebrada, y de 0.012 en la zona urbanizada (cono de deyección).
•
El modelamiento del flujo de escombros se realizó con el software FLO 2D. Para este modelamiento es necesario tener la topografía, el hidrograma líquido-sólido, las propiedades del sedimento, y los parámetros reológicos.
•
Los parámetros característicos del sedimento se fijaron de acuerdo a la experiencia en otros países, donde se ha calibrado con cuencas experimentales. Las muestras tipo, provenientes de la literatura, fueron recolectadas de depósitos naturales de flujos de lodo en Colorado Rocky Mountain cerca de las ciudades de Aspen y Glenwood Springs, USA. Las ecuaciones utilizadas para el modelo son (O´Brien & Julien, 1988):
METODOLOGÍA
y
0.0360e
0.181e
22.1C v
25.7 C v
•
La gravedad específica del sedimento se asumió 2.65.
•
El tiempo de simulación es de 20 horas.
•
El hidrograma de sólidos fue estimado distribuyendo el rango de concentraciones de manera tal que el resultado sea una curva similar al hidrograma líquido.
METODOLOGÍA
RESULTADOS •
Los volúmenes reportados por el modelo FLO-2D son: Flujo (m3) Hidrograma de entrada (INFLOW) Almacenamiento dentro del área de análisis
Flujo fuera del área de simulación (OUTFLOW)
Agua (m3) 35936.62 29453.07 6483.69
Agua con sedimento (m3) 49647.19 40220.39 9426.80
•
El volumen de entrada (INFLOW) se subdivide en un volumen almacenado dentro de malla analizada (STORAGE) y un volumen de salida (OUTFLOW).
•
Se puede visualizar elevación del terreno, superficie del agua, zonas de mayor y menor deposición, zonas con mayor y menor velocidad, dirección del flujo, zonificación por vulnerabilidad, y otras más.
RESULTADOS
RESULTADOS
RESULTADOS
RESULTADOS
CONCLUSIONES
El uso de modelos numéricos permite simular los efectos de una estructura de mitigación sobre el flujo tipo huayco, facilitando verificar la eficiencia de la estructura y su optimización. Asimismo, permite evaluar la opción económicamente más rentable y de efectos deseados. Finalmente, permite construir mapas de vulnerabilidad en función de los resultados obtenidos, y planificar medidas de mitigación y prevención de desastres.
