Análisis del comportamiento hidráulico - sedimentológico del río Piura, tramo presa Los Ejidos sector Cordillera (Perú). Problemática actual y propuestas de solución

Abstract

[ES] El presente Trabajo de Fin de Máster (TFM), analiza el comportamiento hidráulico y sedimentológico del río Piura, ubicado en el departamento de Piura, Perú, tramo presa Los Ejidos a Sector Cordillera, con el objetivo de plantear propuestas de mejoramiento de la capacidad hidráulica del tramo encauzado y la reducción de la vulnerabilidad física ante inundaciones producidas en el Bajo Piura. El tramo estudiado corresponde aproximadamente a 43 kilómetros del río Piura, aguas abajo de la presa Los Ejidos, el cual posee una pendiente promedio de 0.03% y cuyo material de lecho está compuesto principalmente por arenas finas. En la actualidad este tramo se encuentra encauzado mediante diques en ambas márgenes con un ancho promedio de 650 metros en una longitud de 38.7 kilómetros. Debido al Fenómeno El Niño Costero ocurrido en marzo del 2017, el río Piura alcanzó un caudal máximo instantáneo de 3468 m3 /s, valor inferior al de diseño del sistema de protección contra inundaciones del Bajo Piura, que no obstante provocó el desborde e inundación de la ciudad de Piura y las localidades del Bajo Piura, ocasionado la pérdida de vidas humanas y daños a la infraestructura social y económica. Es por ello que en la actualidad se puede indicar que el sistema de defensa contra inundaciones no brinda la seguridad ante eventos de tal magnitud, además de que no existen estudios recientes que evalúen la capacidad hidráulica del río Piura en el tramo encauzado. Se ha recolectado información topográfica, hidrológica, hidrométrica, sedimentológica, imágenes satelitales y estudios de mecánica de suelos, para su posterior análisis y construcción de un modelo matemático con el software HECRAS 5.0.6. (USACE, 2018), para representar el comportamiento hidráulico del río Piura con el caudal máximo instantáneo ocurrido en el evento El Niño Costero 2017. Con este primer objetivo, el modelo inicial se concibió como un modelo unidimensional en régimen permanente, sin embargo para esto, fue necesaria también la aplicación del módulo bidimensional de HECRAS en régimen transitorio, con el cual se representó el mismo evento y se determinaron los caudales desbordados en el tramo urbano de la ciudad de Piura y el Bajo Piura. La calibración del modelo bidimensional se realizó mediante una comparación entre el área de inundación simulada y la real obtenida a través de imágenes satelitales en fechas posteriores al evento (PeruSat-1 y Copernicus), además de los valores del nivel de lámina de agua alcanzados en las estructuras transversales al río Piura durante la avenida. Con el modelo hidráulico calibrado considerando la topografía realizada el 2015, se simuló el módulo de transporte de sedimentos con lecho móvil para el evento observado (hidrograma de la avenida 2017), se estableció tanto las condiciones iniciales como de contorno obteniendo la morfología del río Piura (topografía simulada), la cual se calibró a través de comparación con los datos topográficos post eventos observados (topografía 2017). De los resultados obtenidos se tiene que la capacidad hidráulica de diseño del río Piura en el tramo encauzado se ha reducido, esto a causa del acelerado proceso de sedimentación y la falta de mantenimiento del cauce, además que para el caudal máximo de 4190 m3 /s correspondiente a periodo de retorno de 100 años, se generaria el colapso total del sistema de proteccion contra inundaciones de la ciudad de Piura y el Bajo Piura. Es por ello que como propuestas para mejorar la capacidad hidráulica se plantean alternativas aplicando medidas no estructurales (mantenimiento del cauce y llanuras de inundación), además de medidas estructurales (sobreelvacion de la corona de los diques en ambas márgenes y la renaturalización de la salida al mar del río Piura por Sechura), ambas medidas buscan minimizar la vulnerabilidad física ante inundaciones, además de solucionar el problema sedimentación en el tramo encauzado y el Complejo Lagunar Ramón - Ñapique. La solución propuesta consiste en la renaturalización de la salida al mar del río Piura por Sechura a través de una derivación con capacidad de 1800 m3 /s, además del mantenimiento de cauce y sobreelevación de la corona de los diques en la parte superior del encauzamiento del Bajo Piura. Se puede señalar que la combinación de estas medidas representa una propuesta integral la cual mejora la capacidad hidráulica del río desde la presa Los Ejidos hasta el final del tramo encauzado (sector Cordillera) para un caudal de 4190 m3 /s (periodo de retorno de 100 años). Esto permitirá garantizar la seguridad y la reducción de la vulnerabilidad física ante inundaciones, además de permitir el transporte y descarga de sedimentos hacia el mar, reduciendo así el fenómeno de agradación del río en su tramo inferior. La modelación y el análisis realizado supone un acercamiento al comportamiento hidráulico y sedimentológico del río Piura. No obstante, son necesarios todavía estudios de detalle y que los responsables de la gestión de los recursos hídricos de la cuenca del río Piura, incorporen los mismos a la solución planteada para así mejorar el modelo numérico. A través de éste, se representará mejor el comportamiento hidráulico de todo el sistema, el cual servirá para la toma de decisiones y gestión de los recursos hídricos en la cuenca del río Piura.

[EN] This proyect analyzes the hydraulic and sedimentological behavior of Piura river which is in the department of Piura, Peru, from the Los Ejidos dam section to the Cordillera Sector. The aim of this work is to propose improvements for hydraulic capacity of the canalized section and the reduction of vulnerability to floods in Bajo Piura. The studied section is 43 kilometers of the Piura River, downstream from the Los Ejidos Dam, which has an average slope of 0.03% and whose bed material is mainly composed of fine sand. At present, this section is channeled through levees on both banks with an average width of 650 meters in a length of up to 38.7 kilometers. Due to El Niño – Southern Oscillation in March 2017, Piura river reached a maximum instantaneous flow of 3468 m3 /s, which was lower than the design of the flood protection system of Bajo Piura. Nevertheless, it caused overflow and flooding of the city of Piura and the towns of Bajo Piura, loss of human lives and damaged social and economic infrastructure. That is why it can be indicated that the flood defense system does not provide security against events of such magnitude. In addition to, the fact that, there are no recent studies that evaluate the hydraulic capacity of Piura River in the channeled section. Topographic, hydrological, hydrometric, sedimentological information, satellite images and soil mechanics studies have been collected to analyze and build a mathematical model with the HECRAS 5.0.6 software. (USACE, 2018). It represented the hydraulic behavior of the Piura River with the maximum instantaneous flow that occurred in the El Niño – Southern Oscillation 2017 event. At first, the model was designed as a one-dimensional model in permanent regime. However, it was also necessary to apply the two-dimensional HECRAS module in a transitory regime with the same event. The overflowing flows were determined in the urban section of the city of Piura and Bajo Piura. The calibration of the two-dimensional model was carried out by contrasting the simulated flood area and the real one shown in satellite images after the event (PeruSat-1 and Copernicus) and the values of the water level reached in the transversal structures to the Piura river during the avenue. After the hydraulic model was calibrated, considering the topography of 2015, the sediment transport module with moving bed was simulated for the event (hydrograph of avenue 2017). The initial and contour conditions were established, and the results were the morphology of the Piura river (simulated topography) that was calibrated by comparison with the topographic data after observed events (topography 2017). The results showed that the design hydraulic capacity of Piura River in the channeled section has been reduced due to the accelerated sedimentation process and the lack of maintenance of the riverbed. In addition, the maximum flow of 4190 m3 /s of 100 years return period will collapse the flood protection system in the city of Piura and Bajo Piura. As proposals to improve hydraulic capacity, it is consider the alternatives of applying nonstructural measures (maintenance of the riverbed and flood plains in the canalized section), and structural measures like overlifting of the crown of the levees on both banks and renaturalization from the outlet to the sea of the Piura River through Sechura. Both of them seek to minimize physical vulnerability to floods, in addition to solving the sedimentation problem in the canalized section and the Ramón - Ñapique Lagoon Complex. The proposed solution is renaturation Piura river outlet to the sea by Sechura through a diversion with a capacity of 1800 m3 /s, in addition to maintaining the channel and raising the crown of the levees in the upper part of the channel of Bajo Piura. The combination of these measures represents a comprehensive proposal which improves the hydraulic capacity of the river from the Los Ejidos dam to the end of the canalized section (Cordillera sector) for a flow of 4190 m3 /s (return period of 100 years). This will ensure safety and reduce physical vulnerability to floods, as well as allowing the transport and discharge of sediments to the sea, thus reducing the phenomenon of aggradation of the river in its lower section. The modeling and analysis carried out an approach to the hydraulic and sedimentological behavior of Piura river. However, detailed studies are still needed and those responsible for managing the water resources of Piura river basin incorporate them into the proposed solution in order to improve the numerical model. Through, the hydraulic behavior of the entire system will be better represented, and it will be required to make a well considered decision about the management of water resources in the Piura river basin.

[CA] El present Treball de Fi de Màster (TFM), analitza el comportament hidràulic i sedimentològic del riu Piura, situat en el departament de Piura, el Perú, tram presa Los Ejidos a Sector Cordillera, amb l'objectiu de plantejar propostes de millorament de la capacitat hidràulica del tram canalitzat i la reducció de la vulnerabilitat física front a inundacions produïdes en el Bajo Piura El tram estudiat correspon aproximadament a 43 quilòmetres del riu Piura, aigües avall de la presa Los Ejidos, el qual posseeix una pendent mitjana de 0.03% i el material de llit del qual està compost, principalment per arenes fines. En l'actualitat aquest tram es troba canalitzat mitjançant dics en tots dos marges amb una ampla mitjana de 650 metres en una longitud de fins a 38.7 quilòmetres. A causa del fenomen El Niño Costaner ocorregut al març del 2017, el riu Piura va arribar a tindre un cabal màxim instantani de 3468 m³/s, valor inferior al de disseny del sistema de protecció contra inundacions del Bajo Piura, que no obstant això va provocar el desbordement e inundació de la ciutat de Piura i les localitats del Bajo Piura, ocasionat la pèrduda de vides humanes i danys a la infraestructura social i econòmica. És per això que en l'actualitat es pot indicar que el sistema de defensa contra inundacions no brinda la seguretat davant esdeveniments de tal magnitud, a més de que no existeixen estudis recents que avaluen la capacitat hidràulica del riu Piura en el tram canalitzat. S'ha recol·lectat informació topogràfica, hidrològica, hidromètrica, sedimentològica, imatges satel·litàries i estudis de mecànica de sòls, per a la seua posterior anàlisi i construcció d'un model matemàtic amb el programari HECRAS 5.0.6. (USACE, 2018), per a representar el comportament hidràulic del riu Piura amb el cabal màxim instantani ocorregut en l'esdeveniment El Niño Costaner 2017. Amb aquest primer objectiu, el model inicial es va concebre com un model unidimensional en règim permanent, tanmateix per a això, va ser necessària també l'aplicació del mòdul bidimensional de HECRAS en règim transitori, amb el qual es va representar el mateix esdeveniment i es van determinar els cabals desbordats en el tram urbà de la ciutat de Piura i el Bajo Piura. El calibratge del model bidimensional es va realitzar mitjançant una comparació entre l'àrea d'inundació simulada i la real obtinguda a través d'imatges satel·litàries en dates posteriors a l'esdeveniment (PeruSat-1 i Copernicus), a més dels valors del nivell de làmina d'aigua aconseguits en les estructures transversals al riu Piura durant l'avinguda. Amb el model hidràulic calibrat, considerant la topografia realitzada el 2015, es va simular el mòdul de transport de sediments amb llit mòbil per a l'esdeveniment observat (hidrograma de l'avinguda 2017), es va establir tant les condicions inicials com de contorn obtenint la morfologia del riu Piura (topografia simulada), la qual es va calibrar a través de comparació amb les dades topogràfiques post esdeveniments observats (topografia 2017). Dels resultats obtinguts es té que la capacitat hidràulica de disseny del riu Piura en el tram canalitzat s'ha reduït, això a causa de l'accelerat procés de sedimentació i la falta de manteniment del llit, a més que per al cabal màxim de 4190 m³/s corresponent a període de retorn de 100 anys, es generaria el col·lapse total del sistema de proteccion contra inundacions de la ciutat de Piura i el Bajo Piura. És per això que com a propostes per a millorar la capacitat hidràulica es plantegen alternatives aplicant mesures no estructurals (manteniment del llit i planes d'inundació en el tram canalitzat), a més de mesures estructurals (sobreelvacion de la corona dels dics en tots dos marges i la renaturalización de l'eixida a la mar del riu Piura per Sechura), totes dues mesures busquen minimitzar la vulnerabilitat física davant inundacions, a més de solucionar el problemam de sedimentació en el tram canalitzat i el Complex Cassetó Ramón - Ñapique. La solució proposada consisteix en la renaturalización de l'eixida a la mar del riu Piura per Sechura a través d'una derivació amb capacitat de 1800 m³/s, a més del manteniment de llit i sobreelevación de la corona dels dics en la part superior de la canalització del Bajo Piura. Es pot assenyalar que la combinació d'aquestes mesures representa una proposta integral la qual millora la capacitat hidràulica del riu des de la presa Los Ejidos fins al final del tram canalitzat (sector Cordillera) per a un cabal de 4190 m³/s (període de retorn de 100 anys). Això permetrà garantir la seguretat i la reducció de la vulnerabilitat física davant inundacions, a més de permetre el transport i descàrrega de sediments cap a la mar, reduint així el fenomen de agradación del riu en el seu tram inferior. El modelatge i l'anàlisi realitzada suposa un acostament al comportament hidràulic i sedimentològic del riu Piura. No obstant això, són necessaris encara estudis de detall i que els responsables de la gestió dels recursos hídrics de la conca del riu Piura, incorporen els mateixos a la solució plantejada per a així millorar el model numèric. A través d'aquest, es representarà millor el comportament hidràulic de tot el sistema, el qual servirà per a la presa de decisions i gestió dels recursos hídrics en la conca del riu Piura.