UNIVERSIDAD DE PIURA

FACULTAD DE INGENIERA

Programa Acadmico de Ingeniera Civil

"Modelacin numrica del Ro Piura utilizando

River 2D, entre los puentes Cceres e Integracin"

Tesis para optar el Ttulo de:

Ingeniero Civil

Germn Alonso Elera Moreno

Asesor Ing. Jorge Reyes Salazar

Piura Abril, 2005

Se la dedico a Dios, a la Virgen, a mis padres Wilmar y Camila y a mis hermanos

Sandra, Diego y Vctor.

Prlogo

Con la mejora de los algoritmos computacionales, tanto la ingeniera como el ingeniero los puede utilizar como una herramienta de gran ayuda para la realizacin de diversos clculos. En los ltimos aos, el aumento de la velocidad de las computadoras personales ha hecho que los modelos numricos sean accesibles a un gran nmero de usuarios.

La Hidrulica no se ve ajena a este desarrollo cientfico, y ahora podemos contar con un software el cual nos apoya para la obtencin de parmetros que son importantes a la hora de disear. Por ende, esta tesis pretende dar a conocer la capacidad de este software: River2D as como la obtencin de los parmetros tan importantes en un ro como lo son: velocidad, niveles de agua, tirantes y Nmero de Froude.

Quiero agradecer a mi asesor el Ing. Jorge Reyes por su empeo en sacar adelante esta tesis, as como tambin al Ing. Jos Vsquez por su apoyo en el manejo del River2D.

Resumen

En esta tesis se persigui el objetivo principal que es lograr un mayor conocimiento del alcance de los modelos numricos en la aplicacin de la Ingeniera Hidrulica

Como es de conocimiento el River2D es un modelo 2D en el plano horizontal o modelo de aguas poco profundas. Por ello no puede modelar paredes verticales o muy empinadas. River2D solo considera la friccin del fondo, no de las paredes. Pero en el caso del tramo urbano del ro Piura, los taludes artificiales tienen un talud muy empinado del cual la topografa no proporciona suficiente detalle. Para ello solo se proporciona la informacin de las cotas de fondo.

Los resultados obtenidos son bastante parecidos a los ocurridos durante el fenmeno El Nio. Se hace un cuadro comparativo en que arroja las velocidades y los niveles de agua en los principales puentes de Piura. Concluimos que River2D es un software potente y de buen uso en la Ingeniera Hidrulica y la modelacin numrica la hace en forma eficiente y competitiva contra otros mtodos, como los modelos a escala.

ndice general ndice de figuras Introduccin1

1. El Fenmeno El Nio (ENSO) 1.1 El desarrollo tpico del Fenmeno El Nio.6 1.2 Efectos del fenmeno El Nio 1997-1998 en Per.8

1.2.1 Efectos en la pesquera9 1.2.2 Efectos en la agricultura..9 1.2.3 Efectos en la calidad de vida de la poblacin..9

1.3 Teleconexiones10 1.4 El Fenmeno La Nia..11 1.5 Sistemas de Observacin.12

1.5.1 El programa TOGA.13 1.5.2 Observaciones del ENSO desde 1997.14

2. El Ro Piura

2.1 Descripcin geogrfica17 2.2 La cuenca y el recorrido..19

2.2.1 Nacimiento y Subcuencas... 19 2.2.2 Recorrido.21

2.2.3 Geologa de la cuenca..21 2.3 El Tramo Urbano.23

2.3.1 Hidrologa26 2.3.1.1 Precipitacin26 2.3.1.2 Avenidas..28

2.3.2 Geologa...34 2.3.3 Erosin y sedimentacin..36 2.3.4 Protecciones ribereas existentes.42

2.4 Impactos del Fenmeno El Nio 1997-1998 en el tramo urbano45

3 River2D 3.1 Introduccin a la Modelacin numrica de profundidad promedio..55

3.1.1 Apreciacin General55 3.1.2 Modelos de profundidad promedio..56 3.1.3 Recopilacin de datos..56

3.2 Principios de la Modelacin Hidrodinmica 2D..57 3.2.1 Formulacin Fsica..58

3.2.1.1 Conservacin de masa.58 3.2.1.2 Conservacin de Velocidad adquirida.59

3.2.2 Modelacin numrica de profundidad promedio.62 3.2.2.1 El mtodo de Elementos Finitos..62 3.2.2.2 Error de Discretizacin64 3.2.2.3 Mtodos de solucin65

3.3 Descripcin del modelo66 3.3.1 Generalidades..66

3.3.1.1 Reconocimientos.....66 3.3.1.2 Condiciones de uso.66

3.3.2 Formulacin67

3.3.2.1 Generalidades67 3.3.2.2 Modelo hidrodinmico..67 3.3.2.3 Suposiciones Bsicas....68

3.3.3 Aplicaciones del modelo hidrodinmico...68 3.3.3.1 Mtodo de Elementos Finitos....68 3.3.3.2 Mtodo de Newton-Raphson.....69

3.3.4 Mtodo de solucin de ecuaciones....70 3.3.4.1 Solucin Directa.70 3.3.4.2 Solucin Iterativa...71

4 Modelacin Bidimensional

4.1 Objetivos de la modelacin.73 4.2 Tipos de modelos 73

4.3 Informacin necesaria.76 4.3.1 Informacin Histrica..76 4.3.1.1 Caudales77

4.3.1.2 Niveles de agua78 4.3.1.3 Velocidades de agua.80

4.3.2 Informacin levantada en el ao 2000.81 4.3.2.1 Topografa81 4.3.2.2 Hidrologa82 4.3.2.3 Rugosidad.82

4.4 Zona modelada: Puente Cceres- Futuro Puente Integracin.84 4.4.1 Geometra y caractersticas del modelo84 4.4.2 Generacin de malla.85 4.4.3 Procedimiento de clculo..86 4.4.4 Simulaciones.88 4.4.5 Condiciones iniciales....89

5 Clculos y resultados

5.1 Clculo de velocidades91 5.2 Clculo de niveles de agua..96 5.2.1 Puente Cceres.96 5.2.2 Puente Snchez Cerro..97 5.2.3 Puente Bolognesi..99

5.3 Otros clculos..101 5.3.1 Caudal acumulado...101 5.3.2 Magnitud de la velocidad de corte..102 5.3.3 Intensidad de descarga X (qx).103 5.3.4 Intensidad de descarga Y (qy).104 5.3.5 Nmero de Froude...105 6 Conclusiones y recomendaciones Bibliografa Anexos A River_Bed Anexos B River_Mesh Anexos C River2d Anexos D R2D Tutorial Transient Modelling

Introduccin

En el primer captulo damos una completa informacin acerca del Fenmeno El Nio, sus efectos en la pesquera, agricultura y en la calidad de vida de la poblacin en el periodo 1997-1998, as como el Fenmeno la Nia, finalizando este captulo con los Sistemas de Observacin. En el segundo captulo, nos enfocamos en el Ro Piura caracterizamos la cuenca y su geologa, as como las protecciones ribereas existentes y los impactos del Fenmeno El Nio en el tramo urbano en el periodo 1997-1998. En el tercer captulo se da una apreciacin general sobre el River2D y su introduccin a la modelacin numrica de profundad promedio, los principios de la Modelacin Hidrodinmica 2D, su formulacin fsica y los mtodos de solucin. Ya con los conocimientos del captulo anterior, en este cuarto captulo entendemos sobre la Modelacin Bidimensional y los tipos de modelos que existen. Se describir la zona a modelar y la metodologa que se emplear para el clculo. Es importante advertir que los resultados obtenidos del River2D dependen mucho de los datos ingresados, los cuales deben manipularse con criterio. Tanto las velocidades como los niveles de agua son comparables a los ocurridos durante el fenmeno El Nio, obtenindose resultados satisfactorios.

CAPITULO 1

El Fenmeno El Nio (ENSO) En este captulo se dan a conocer de manera resumida y didctica la informacin bsica referida al fenmeno El Nio (Marc Bartels, 2001), donde se tratan puntos como su historia, causas mediatas e inmediatas, desarrollo y anomalas en la precipitaron global y sus efectos en el Per, esto con el fin de entender mejor las marcadas diferencias que presenta la hidrologa del ro Piura. El termino El Nio fue acuado originalmente por los pescadores a lo largo de las costas de Ecuador y Per para referirse a una corriente marina clida que tenda a aparecer normalmente alrededor de la Navidad, de ah su nombre en referencia al Nio Jess. De hecho, cada ao, las aguas clidas de las costas ecuatorianas y colombianas se trasladan hacia las costas de los norteos departamentos de Piura y Lambayeque. El trmino de El Nio (EN) se empleaba originalmente para describir la llegada local y estacional de agua clida frente a las costas del centro de Sudamrica y un fenmeno conocido actualmente como la Oscilacin Meridional (en ingls Southern Oscillation, cuyas siglas son SO).La combinacin de los dos procesos (EN+SO) produce el ENSO, un fenmeno integrado martimo y atmosfrico que abarca toda la cuenca del Pacfico. En aos del fenmeno moderado, la contracorriente se limita a una estrecha franja de influencia. Pero, en intervalos irregulares aumenta su extensin y su intensidad, influyendo en las circulaciones atmosfricas y causando las anomalas del fenmeno ENSO. Los efectos se extienden por toda la zona Pacfico ecuatorial, de Sudamrica y Centroamrica en el este haca Indonesia y Australia en el oeste, afectado tambin regiones muy alejadas mediante la teleconexin.

Fig. 1.1: Circulacin de Walker en el Pacfico ecuatorial; a la izquierda: situacin normal, a la derecha: situacin durante El Nio

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Durante los aos del ENSO, los vientos alisios en el Pacfico y la circulacin de Walker se debilitan. Las aguas ms calientes del Pacfico del oeste se esparcen a lo largo del ecuador mediante las ondas de Kelvin y las temperaturas de la superficie del mar en el Pacfico Central y del este son elevadas, por lo menos por 2C. Aunque no parece un gran aumento en la temperatura del ocano, la cantidad de energa si lo es. Por ejemplo, el ENSO como el de los aos 1997-1998 es capaz de producir ms energa que un milln de bombas de Hiroshima. Al mismo tiempo estas ondas deprimen la termoclina a lo largo de la costa sudamericana, impidiendo el afloramiento de las aguas fras sub-yacentes de la termoclina.

Fig. 1.2: Condiciones durante el Fenmeno El Nio en el Pacfico tropical

Con la aparicin de una zona de agua caliente en el Pacfico Central y del este, la regin de mayor actividad convectiva se desplaza hacia esta parte de los trpicos. Donde antes llova poco, ahora se producirn lluvias intensas e inundaciones, mientras que donde antes llova mucho llover menos durante el ENSO. Adems, los huracanes que normalmente afectan las islas Filipinas y Taiwn se desplazan y comienzan a formarse cerca de las islas Tahit, Fiji y a veces Hawai, causando daos muy graves. Esta asociacin del calentamiento anmalo de la superficie del mar y de la amplia fluctuacin de la presin atmosfrica fue descubierta de Jacob Bjerknes.

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Fig. 1.3: Anomalas de la precipitacin global

Para caracterizar el calentamiento anmalo se observan distintas zonas del Pacfico. Hay un ndice que describe la diferencia entre la temperatura anmala media y la de la TSM. El ndice ms utilizado es el ndice Nio-3, el que describe esta diferencia en la zona central del Pacfico, de 5N hasta 5S y de 90O hasta 150O. La zona del ndice Nio-1 se encuentra directamente a lo largo de la costa sudamericana, la del ndice Nio-2 entre Amrica del Sur y 90O, donde la zona del ndice Nio-3 comienza. Al oeste de la Lnea Internacional de cambio de Fecha (LIF) se encuentra la zona del ndice Nio-4. Finalmente, directamente frente a Indonesia est la zona del ndice Nio-5.

Fig. 1.4: Anomalas de la temperatura superficial del Pacfico ecuatorial

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1.1 El desarrollo tpico del Fenmeno El Nio Actualmente, se sabe que el Fenmeno El Nio (o ENSO) es un evento episdico de escala planetaria que se manifiesta generalmente cada tres a cuatro aos, con un impacto muy grande en casi todas las actividades humanas, particularmente en Per, Ecuador, Chile, Colombia y Bolivia; y tiene muchas repercusiones alrededor del mundo. Generalmente, el Fenmeno El Nio se inicia en el Pacfico occidental, cerca de Indonesia y Australia. Se pueden diferenciar cuatro fases en un evento clsico: El preludio comienza 18 meses antes de la cima del evento. Los vientos alisios en el Pacfico occidental intensifican, aumenta el nivel del mar y desciende la termoclina en el oeste. En septiembre y octubre estos vientos empiezan a descender y aparecen las anomalas positivas, donde la temperatura de las aguas superficiales se eleva por encima de lo normal, al menos 2C y durante eventos fuertes hasta 4-5C. La circulacin de Walker se debilita, reforzando las ondas de Kelvin. Esta fase est denominada como la entrada. La fase principal comienza entre diciembre y enero, acompaado de anomalas que se prolongan hasta junio. Hay un calentamiento estacional frente a la costa sudamericana. Aumenta el nivel del mar en la costa y desciende la termoclina. En la atmsfera se altera la presin atmosfrica en zonas muy distintas, bajando en el este y subiendo en el oeste. Los vientos cambian su direccin y su velocidad y se desplazan las zonas de lluvia, como la ZCIT (la Zona de Convergencia Intertropical).

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Fig. 1.5: Desplazamiento de la ZCIT (ariba: durante el Fenmeno El Nio, abajo: situacin normal)

Un nuevo aumento de las temperaturas en la costa inicia la fase final del Fenmeno El Nio, terminada con ligeras anomalas negativas (vase cap. 1.4) en febrero del ao siguiente.

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Fig. 1.6: IOS e intensidad del Fenmeno El Nio

1.2 Efectos del Fenmeno El Nio 1997-1998 en Per En el Ocano Pacfico, la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT) se encuentra un poco ms al norte del Ecuador, normalmente entre los 7 de latitud norte y el Ecuador. En consecuencia, la costa colombiana del Pacfico es una de las reas ms lluviosas de la tierra, con una precipitacin anual entre 7.000 y 8.000 mm. Durante un fenmeno ENSO, la ZCIT cambia desusadamente hasta 4S, mientras que en 1983 se encontr hasta la latitud de Piura (5S), donde se qued por un largo perodo. En los aos de 1997-1998, la ZCIT se localiz entre 2N y 4S y entre 80E y 110O, con movimientos oscilantes que llegaron durante algunas semanas hasta 10S, causando lluvias que sobrepasaron sus niveles anuales normales. De ao en ao, los cambios en las temperaturas superficiales del mar a lo largo de la costa peruana producen una serie de impactos locales, afectando la productividad de casi todos los sectores de la economa, como la pesquera y la agricultura, la manufactura, comercio, minera, turismo, transportes, comunicaciones, etc. En total, se han estimado prdidas en pesca, agricultura y exportaciones del orden de 600 a 700 millones de US dlares debido al fenmeno de los aos 1997-1998. Los aos fros son bienvenidos por los pescadores peruanos, pero no necesariamente por los agricultores que sufren menguas de las cosechas, provocadas por una disminucin de lluvias. En el norte del Per, el Fenmeno El Nio se manifiesta con un incremento de la temperatura ambiental, precipitaciones ms fuertes que las habituales e inundaciones. En contraposicin a los efectos en la parte altoandina de la sierra central y sur, donde se presentan sequas y heladas.

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1.2.1 Efectos en la pesquera Las anomalas afectan las condiciones ambientales para los ecosistemas marinos radicalmente. El fenmeno influye en la salinidad y la temperatura de las aguas a lo largo de la costa sudamericana, cambiando el espacio vital de los habitantes del mar. Desde el fenmeno de los aos 1997-1998 aparece el langostino a lo largo de la costa peruana, migra la anchoveta al sur, lo que representa el colapso de la industria pesquera. Hasta el evento de estos aos, la anchoveta represent el 90 % de la extraccin pesquera, exportando un billn de US dlares en alimento de anchoveta. Pero no slo los pescadores se ven afectados, las aves marinas de las Galpagos pierden su fuente de alimento y sus poblaciones decrecen. 1.2.2 Efectos en la agricultura El sector agrcola (algodn, arroz, limn, pltano, maz, etc.) tambin anot prdidas del orden de 200 millones de US dlares. Las exportaciones agrcolas cayeron en un 30 % y se perdi 4 % de reas cultivadas. Las altas temperaturas y las inundaciones afectaron las semillas y cosechas, provocaron plagas y enfermedades de las plantas, acompaado de una tropicalizacin de los cosechas. Adems, hubo problemas de salud en el ganado. Finalmente, en consecuencia sucedieron problemas sociales, como la migracin del campo a la ciudad. 1.2.3 Efectos en la salud de la poblacin Debido a los cambios climticos, la destruccin de los servicios de agua y las viviendas, as como a la formacin de charcos y lagunas, diversas enfermedades se pudieron extender sobre el Per en los aos 1997-1998. Hubo un incremento de enfermedades infecciosas, como la Clera (8.000 casos), la Malaria (31.000 casos), el Dengue (400 casos), males diarreicos agudos (170.000 casos) y Males respiratorios agudos (240.000 casos). Adems, la destruccin de las carreteras, puentes y edificios durante el fenmeno ENSO agrav la situacin del suministro de la poblacin y foment la extensin de las enfermedades.

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1.3 Teleconexiones Las circulaciones atmosfricas y las corrientes ocenicas son modelos globales y muy caractersticos, formando las distintas zonas climticas de la tierra. Durante un fenmeno fuerte del ENSO, estos modelos (por ejemplo, las circulaciones de Hadley y Walker) son afectados y presentan anomalas climticas en muchas partes del mundo, conocido como teleconexiones.

Fig. 1.7: Anomalas globales durante el Fenmeno El Nio (arriba: durante el verano del hemisferio norte, abajo: durante el invierno del hemisferio norte) En la atmsfera tropical, las anomalas de la TSM imponen cambios en el rgimen de conveccin y en la circulacin local de Hadley. La respuesta de la atmsfera extratropical a estos cambios se manifiesta con modificaciones en la TSM de los extratrpicos, en la hidrologa superficial y en la disponibilidad de la humedad. Las anomalas pueden ser transmitidas en la atmsfera o en los ocanos, por ejemplo mediante las ondas de Kelvin. Las anomalas del Fenmeno El Nio afectan directamente la circulacin atmosfrica de la regin Aleutiana, una zona de baja presin. En consecuencia, la situacin de los vientos cambia, provocando un calentamiento del agua en el Golfo de Alaska con un levantamiento del nivel del mar de 20 cm. Adems, el cambio de la direccin de los vientos provoca inundaciones, lluvias tormentosas y una interrupcin de las surgencias a lo largo de la costa norteamericana, levantando el nivel del mar (26 cm, cerca de San Francisco).

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Pero, los efectos del fenmeno no se limitan solamente al Pacfico, sino son efectos globales. Durante el fenmeno hay un calentamiento de las temperaturas globales de 0,1 a 0,2 grados centgrados, parecido al enfriamiento global despus de una erupcin volcnica. Los dos factores, el fenmeno El Nio y las erupciones volcnicas, determinan 30 a 50 % de la vacilacin de las temperaturas globales. Al mismo tiempo del ENSO, se puede reconocer un calentamiento de la corriente de Benguela, en el suroeste de frica. El "Benguela-Nio" es acompaado del debilitamiento de los vientos alisios y sequas extremas en esta zona. En otras partes del mundo, el traslado de la zona de las lluvias tropicales provoca sequas en Indonesia, Australia, en el noreste de Brasilia y en los estados centrales de los EE.UU. En contraste, inundaciones causan daos muy graves en Per, Ecuador, Argentina, Paraguay, en el sur de Brasilia y en los estados del sur de los EE.UU. Adems, ocurre un traslado de la zona de los ciclones y tornados, que tiene por consecuencia tornados fuertes en las islas de Tahit y Hawaii, por ejemplo.

Fig. 1.8: Teleconexiones del Fenmeno El Nio

Actualmente, se conoce muy poco sobre los mecanismos de teleconexin. Puede ser que algunos fenmenos ocurren simplemente por coincidencia, como una causalidad de la naturaleza. Pero, con los conocimientos avanzados de la interaccin atmsfera-ocano se pueden reconocer conexiones globales de los fenmenos. 1.4 El Fenmeno La Nia En la dcada de los ochenta los oceangrafos empezaron a utilizar la expresin La Nia para referirse a un perodo fro en contraposicin al perodo caliente del Fenmeno El Nio. Las investigaciones del fenmeno indican que los ndices ocenicos y el IOS son una oscilacin pendular, en la cual se intercambian los eventos fros con los clidos. Al parecer, este fenmeno provoca eventos climticos contrarios a lo experimentado durante el ENSO.

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Por ejemplo, en algn lugar del Pacfico tropical, en vez de sequa durante El Nio, llover ms de lo normal durante La Nia. No es completamente claro que los efectos en el clima en otras regiones del planeta sean simtricos durante El Nio y La Nia; y adems, no siempre sigue un evento de La Nia a uno de El Nio, por lo que se habla de la no periodicidad del sistema climtico. El perodo fro del ENSO se manifiesta en la costa peruana, como masas de agua fras que, al contrario de El Nio, se propagan hacia al oeste. Los vientos alisios se intensifican, provocando un aumento reforzado de la diferencia del nivel del mar entre el Pacfico oriental y occidental y de la pendiente de la temperatura superficial del mar. Adems, la termoclina es levantada a lo lado de la costa sudamericana, acompaando de una intensificacin de las surgencias. Se intensifican las aguas fras de la Corriente de Humboldt, con un consiguiente incremento de la productividad marina.

Fig. 1.9: Condiciones durante el Fenmeno La Nia en el Pacfico tropical

La Nia es menos predecible que El Nio y existen pocos registros de sus efectos. Al fin y al cabo, el fenmeno La Nia y sus consecuencias y procesos no son el asunto de esta tesis, as que no entrar en detalles de este evento. 1.5 Sistemas de observacin Actualmente, organizaciones internacionales y institutos universitarios y nacionales, como por ejemplo la NASA, controlan las circulaciones atmosfricas y martimas cada hora y coleccionan los datos por medios muy modernos. Durante el siglo XX aument el inters global por los cambios del medio ambiente, as que actualmente hay una infraestructura cientfica con un intercambio muy frecuentado.

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1.5.1 El programa TOGA El programa TOGA (Tropical Ocean and Global Atmosphere), es la primera observacin sistemtica, provocada por el Fenmeno El Nio de los aos 1982-1983. Los primeros inicios en los estudios oceanogrficos relacionados con el Fenmeno El Nio se dieron en la dcada del setenta y principios del ochenta. Los principales progresos se basaron en las observaciones realizadas por cientficos de los Estados Unidos en todo el Pacfico tropical, como parte de los EPOCS (Estudios Climticos en Ocano Pacfico Ecuatorial) o del NORPAX (Experimento del Pacfico Norte). Adems existieron proyectos regionales en la dcada del setenta, como por ejemplo el ERFEN (Estudio Regional del Fenmeno El Nio) en que participaron los paises de Colombia, Chile, Ecuador y Per. A partir de los aos ochentas, durante un evento del fenmeno muy intenso, se multiplicaron las reuniones cientficas internationales para mejorar los sistemas de observacin; y as fue fundado el programa TOGA (Tropical Ocean and Global Atmosphere). El programa TOGA fue parte de un programa de investigaciones del clima global, el WCRP (World Climate Research Program). Tuvo una duracin de 10 aos (de 1985 a 1994), con el propsito de estudiar el sistema climtico planetario y su predecibilidad. Los objetivos del programa fueron: el mejoramiento de la descripcin del ocano tropical y de la atmsfera global, el entendimiento de los mecanicos y procesos del fenmeno, posibilitar la predecibilidad del fenmeno en escalas de meses a aos y posibilitar pronsticos por medio de la simulacin del sistema acoplado ocano-atmsfera con modelos matemticos. Las variables ms importantes para entender la interaccin entre el Pacfico y la atmsfera fueron las cinco siguientes: los vientos superficiales, la temperatura superficial media (TSM), la estructura trmica de la parte superior del ocano, el nivel del mar y las corrientes ocenicas. Adems, las variaciones de la termoclina estuvieron asociadas a las variaciones del nivel del mar. Las observaciones de la TSM, de la velocidad de las corrientes, de los vientos y de la estructura trmica fueron realizadas con la utilizacin de boyas a la deriva y fijas; la observacin de la temperatura del mar con batitermgrafos instalados en barcos. Las informaciones fueron coleccionadas cada hora y transmitidas al continente a travs de satlites. Para obtener los datos meteorolgicos como la direccin y amplitud de los vientos en altura, se expandieron una red de perfiladores en las islas del Pacfico, utilizando la tcnica de radar. Estas observaciones in situ fueron completadas por observaciones mediante satlites. La ventaja del empleo de satlites fue la posibilidad de observar el vapor de agua, las formaciones de nubes, la radiacin y la evaporacin, al lado de las variables antes mencionadas. Al final, los datos, recogidos mediante tcnicas de sensores de microondas, radimetros de alta resolucin y altmetros, necesitaron calibracin y validacin con las observaciones in situ.

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1.5.2 Observaciones del ENSO desde 1997 Las observaciones troposfricas y meteorolgicas se realizan permanente desde las dcadas de las setenta y ochenta. Los mtodos de observacin fueron mejorados ms y ms; y actualmente los cientficos tienen medidas de alta tecnologa. Existe una red de informacin en la cual participan muchas naciones, como los paises de Amrica del Sur y Central, los Estados Unidos, los paises del Pacfico occidental y algunos paises de Europa. La red mundial para observciones troposfricas se compone de radiosondas, satlites, perfiladores de vientos, globos pilotos y radares. Durante el fenmeno ENSO de los aos 1997-1998, la red fue completada por una red de monitoreo atmosfrico en superficie. Se estableci esta red a lo largo del litoral Pacfico de Centroamrica y el noroeste de Sudamrica, denominado como PACS-SONET (PACS: el programa Pan American Climate Studies, SONET: Sounding Network).

Fig. 1.10: Red de sondeos PACS durante el verano de 1997 El objetivo principal de la red fue determinar los cambios de la circulacin troposfrica. El sistema fue instalado para observaciones de viento en altura, completado de una red de pluvimetros sobre Ecuador y Per. Los datos de las estaciones superficiales fueron calibrados con los de los satlites. Adems, para derivar relaciones cuantitativas entre la lluvia a la nubosidad sobre la regin, tambin se utilizarn imgenes de satlite. En 1994 fue creado el comite Consejo Consultivo Cientfico Tecnolgico de Piura (CCCTP) para monitorear informaciones meteorolgicas y oceanogrficas. Los objetivos del proyecto fueron: la implementacin de estaciones automticas para el pronstico de las lluvias y la prediccin hidrolgica, la implementacin de un sistema de vigilancia ocenica y el estudio de las respuestas de las especies marinas.

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Otra parte de las investigaciones fue la observacin de los Sistemas Convectivos (SC), la cual an contina. Mediante la tecnologa de satlites, radares y radiosondas se investigan las principales caractersticas de la circulacin y de la estructura vertical de los SC a diferentes niveles de presin. Las imgenes de los satlites son imgenes en el espectro visible, del infrarrojo y de vapor de agua, investigando la actividad convectiva, la formacin de diferentes tipos de nubes o de la niebla y la intensidad de las lluvias. El estudio del ciclo de vida de estos SC basados en la estructura morfolgica interna de los aglomerados de nubes son de gran importancia para el modelamiento atmosfrico. Los SC pueden interaccionar con ondas atmosfricas y pertubar los flujos de vapor de agua del ocano al continente, modificando la circulacin a gran escala.

CAPITULO 2

El Ro Piura Este captulo se ocupa de las caractersticas del ro Piura (Marc Bartels, 2001). Describe las definiciones bsicas y proporciona una vista general de la geografa, la topografa, la cuenca, el recorrido y la pendiente del ro, los caudales histricos y los problemas de erosin y sedimentacin. A continuacin, se describe el tramo de estudio que es el tramo urbano del ro, as como la situacin actual del cauce, las riberas, los puentes y los sistemas de proteccin. Finalmente, se muestra la influencia del Fenmeno El Nio de los aos 1997-1998 sobre el ro Piura y los efectos en la ciudad de Piura. Este ltimo servir como una introduccin al cuarto captulo que describe el modelo matemtico, que se usar para un futuro diseo de protecciones ribereas. 2.1 Descripcin geogrfica El ro Piura y la ciudad de Piura se encuentran en el extremo norte del Per. Se ubican unos 1.000 Km. al norte de la capital Lima, muy cerca de la frontera con el Ecuador.

Fig. 2.1: Mapa del Per

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La ciudad de Piura es la capital del Departamento de Piura, tiene una superficie de 40.580 km2, correspondiente al 3,2 % del territorio peruano (1.285.215 km2). Al norte, limita con el Ecuador y el Departamento de Tumbes, al sur con el Departamento de Lambayeque y al este con el Departamento de Cajamarca. En el oeste, el Departamento de Piura se extiende hacia el Ocano Pacfico. El departamento est parcelado en 8 provincias: Talara, Sullana, Paita, Piura, Sechura, Ayabaca, Morropn y Huancabamba. Junto con el Departamento de Tumbes forma la Regin Grau. Las ciudades de Castilla y de Piura forman en conjunto un rea con una poblacin estimada de 300.000 habitantes, separadas por el ro Piura.

Fig. 2.2: Plano del Departamento de Piura La regin del Departamento de Piura tiene un carcter tpico del nor-oeste del Per. Es un clima rido con altas temperaturas ambientales, debido a las circulaciones atmosfricas que fueron explicadas en el captulo I. Existen cuatro zonas climticas en este departamento: en el norte, frente a la frontera con el Ecuador hay el Clima Selva, permanentemente hmedo. En el este del Departamento de Piura predomina el Clima Templado Moderado Lluvioso, en la zona central y costera del departamento se distingue el Clima de Estepa y de Desierto. Segn el sistema de clasificacin de Thorntwaite, el clima de la cuenca vara desde muy seco y clido en la parte baja hasta seco y semi-clido en la parte media, siguiendo con moderadamente hmedo y templado clido y llegando hasta muy hmedo y fro moderado en las nacientes. La temperatura media mnima en la cuenca es del orden de 19C, oscilando en la zona de la ciudad de Piura entre 18C y 32C. La regin tiene un carcter tropical, sin cambios extremos de la temperatura durante el ao.

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La vegetacin del departamento se divide en dos zonas: el Bosque Seco Ecuatorial, que constituye la mayor parte (con bosques secos y algarrobales), y el Desierto Costanero a lo largo de la costa piurana (con dunas litorales, lomas, bosques de galera y desiertos). 2.2 La cuenca y el recorrido La Cuenca del Ro Piura que tiene un rea total de 10.230 Km2 , se ubica en el Departamento de Piura en la Regin Noroeste del pas y abarca parte de los territorios de las Provincias de Piura, Sullana, Morropn, Huancabamba, Ayabaca, Paita y Sechura, cercana a la frontera con el Ecuador y a la lnea ecuatorial. Est limitada por los 445 y 545 de latitud sur y los 7930 y 8060 de longitud oeste. 2.2.1 Nacimiento y subcuencas El ro Piura nace como ro Chalpa en la Provincia de Huancabamba (distrito de Huarmaca) a 2,680 msnm, y pasa por las provincias de Huancabamba, Morropon, Piura y Sechura. En su recorrido toma los nombres de los ros Huarmaca y Canchaque, adquiriendo el nombre de ro Piura desde su confluencia con el ro Bigote. Los ros Huarmaca, Bigote, Piscn, Yapatera, San Jorge y La Gallega participan en el red hidrogrfica de la cuenca del ro Piura, siendo aproximadamente 295 km la longitud del cauce principal del ro y 1.010 Km. la longitud total de la red hidrogrfica (vase Fig. 2.3).

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Vega de Los Charanes

SUBCUENCA

Vega d

el Cer

ro Chi

quitoCATACAOS

Ro San Lorenzo

Qda. Hualtacal

Centro Poblado

810

0'

550'

540'

520'

A BAYOBAR

804

0'

1000 msnm.500 msnm.

802

0'

BAJO PIURASUBCUENCA

LA UNIONVICE

SECHURA

CA

RR

ETERA PA

NA

MER

ICA

NA

GRANDELAG. RAMON

RIO PIURA

BIGOTE-HUARMACASUBCUENCA

Ro Huarmaca

Qda. d

el Sal

ado

2000 msnm.3000 msnm.

800

0'

CHULUCANAS Qda. del MedioQda. de la Cria

500

500

5005 00

Qda. Ro Seco

Qda. del Duque

RIO PIURA

500

1000

1000

SALITRAL

Qda.del Garabo

Ro Bigote

Ro

Singocate

Martn

San

DEL FAIQUE

Qda. Los Potreros

SAN MIGUEL

Qda. Agua Azul

Ro Chalpa

1000

500

Ro PusmalcaRo Pata

Ro Chignia

Qda 3000

2000

CANCHAQUE

Qda. San

ta Ana

HUARMACA

Qda. L

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lo

Qda. Tab

loran

540'

520'

Qda. S

ocarr

n

500'

810

0'

440'

Q. d

e los

Luises

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L DE D

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SUBCUENCAMEDIO PIURA

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L TAB

LAZO

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PIURA

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ralda

Qda. El

Salto

Qda. Cocharpa

Qda. Honda

Arcill

as

Qda. Carneros

TAMBOGRANDE

Qda. deQda. Chi

ca

804

0'

802

0'

Ro Ya

mango

CHALACO

Qda. Mijal

Qda. M

iraflo

res

TAMBOGRANDESUBCUENCA

Qda. Z

apotal

Qda. D

e las

Damas

Ro Ya

patera

BUENOS AIRES

CHULUCANAS

Qda. R

o Sec

o

Franci

sco

Qda. S

an

CANA

L TAM

BOGR

ANDE

1000

PIURA

Ro Sanc

orQda.

La Par

eja

Ro Ch

aranal

RIO

MATANZA

Ro Chalaco

Ro Piscn

2000

Ro Hualtaco

Gallegas

SANTO DOMINGO

PALTASHACO

Ro Corral

esMORROPON

2000

500

Ro San Jorge

FRIAS

Ro La

s

3000

500

500

500

TEJEDO

RES

CANAL

CANAL

YUSCAY

800

0'

Qda.

Pac

he

Qda La Cabrera

Qda Chorro Blanco

Ro Sapce

2000500'

794

0' 440'

7925'

Fig. 2.3: La cuenca del ro Piura

21

La cuenca abarca un rea de aproximadamente 10.230 km2, y est dividida en 5 subcuencas, denominadas como Bigote-Huarmaca, Chulucanas, Tambogrande, Medio Piura y Bajo Piura.

Tabla 2.1 : Subcuencas del Ro Piura

Subcuenca rea [km2]

Longitud [km]

Permetro [km]

Bigote-Huarmaca 1.934,98 69,72 222,36 Chulucanas 2.796,14 54,60 256,79

Tambogrande 1.442,79 37,50 204,64 Medio Piura 1.615,47 82,10 183,68 Bajo Piura 2.440,26 50,90 227,68

Total 10.229,64 294,82 601,56 2.2.2 Recorrido Nacido en las alturas de Huarmaca a 2.680 msnm, el ro llega al nor-oeste hasta Tambogrande sobre los nombres ro Chalpa, ro Huarmaca y finalmente ro Piura, representando un tramo de 125 Km. de longitud (tramo 1). Desde Tambogrande el ro avanza aproximadamente 25 Km. (tramo 2). El ltimo tramo llega su desembocadura en la Laguna Ramn, con la direccin sur-oeste y una longitud de cerca de 145 km (tramo 3). El relieve es de forma irregular y heterogneo, vara desde tpicas llanuras hasta laderas abruptas en las partes montaosas. La parte media se caracteriza por quebradas y valles secos con laderas de pendiente media. La parte baja es una zona verde dedicada a la produccin agrcola, interrumpida de reas desrticas, como el desierto de Sechura. La pendiente longitudinal promedio vara entre 15 % en las regiones montaosas y 0,037 % en sus ltimos 145 Km. en la zona aguas abajo de la ciudad de Piura. En total, la pendiente promedio del ro es de 8,7 %. 2.2.3 Geologa de la cuenca La cuenca del Ro Piura tiene un vasto territorio que se presenta con una amplia variedad de rocas y agregados de edad comprendida entre el Pre-Cambriano y el Cuaternario. Las rocas ms antiguas constituyen el Zcalo Pre-Cambriano y el Paleozoico Inferior. Las rocas de edad Mesozoica se exponen en el sector sur y noroeste de la cuenca y son de naturaleza sedimentaria, volcnicas y volcnico-sedimentarias depositadas. Los sectores nor-oriental y sur-occidental son conformados a finales del Cretceo, cuando se desarroll gran parte de las cuencas volcnicas cenozoicas.

La cuenca del ro Piura corresponde geomorfolgicamente a la denominada Cuenca Para-andina, limitada al este por las estribaciones de la Cordillera Occidental y hacia el oeste por la lnea del Litoral, caracterizada por una topografa suave. Geolgicamente las unidades litolgicas expuestas son muy variadas desde el Basamento metamrfico, compuestos por los tipos detallados en la tabla siguiente:

22

Tabla 2.2: Unidades litolgicas de la cuenca del ro Piura

Tipo Origen gneises, esquistos Complejo Olmos esquistos, filitas Grupo Salas filitas, cuarcitas Formacin Ro Seco

sedimentos calcreos Formacin Chignia derrames volcnicos,

volcano-sedimentarios Volcnico Lancones

depsitos cuaternarios Tipo aluvial, fluvial, elico sedimentos clsticos Formaciones Yapatera y San

Pedro lavas, piroclastos Volcnicos Llama y Porculla

Fig. 2.4a: Mapa geomorfolgico de la cuenca del ro Piura

23

Fig. 2.4b: Mapa litolgico de la cuenca del ro Piura El tramo inferior de la cuenca est caracterizado por rocas de edad terciaria, representadas por la Formacin Zapallal, Miramar y Depsitos Pleistocnicos de naturaleza bioclstica. Las rocas de edad Precambriana, Paleozoica y Cretcica son de tipo Granito Paltashaco, Tonalitas Altamisa y de Pamparumbe y Granitoides indiferenciados, los mismos que cubren una vasta extensin de la cuenca. 2.3 El tramo urbano El rea del estudio es el tramo urbano del ro Piura, este tramo ha sido dividido en cinco tramos bien definidos. El tramo inicial es la zona aguas arriba de la presa Los Ejidos, representando la cuenca media y alta del ro Piura. Los tramos A y B abarcan el ro Piura en su paso por la ciudad: el tramo A describe la zona entre la presa Los Ejidos y el puente Cceres; tiene una longitud aproximada de 3 Km., con una pendiente longitudinal promedio del fondo del cauce de 0,035 % (cota 22,50 Los Ejidos y 21,50 puente Cceres). El ancho del cauce principal vara entre 200 m al inicio del tramo, controlado por el vertedero fijo y el vertedero con compuertas de la represa Los Ejidos, 300 m en la zona aguas abajo de la presa, reducindose a 180 m en la progresiva 2+000; finalmente el ancho del cauce baja a 130 140 m en la zona aguas arriba del puente Cceres, como consecuencia de la construccin del puente.

24

El lado izquierdo del tramo inicial tiene una longitud aproximada de 600 m y niveles de ribera entre 32 y 36 msnm. Aguas abajo de esta zona, el terreno es ms bajo, generalmente entre 28,5 y 30 msnm, expuesto a inundacin durante avenidas. Las pendientes laterales de la ribera derecha del tramo A son ms bajas que las de la ribera del lado izquierdo y destacan dos zonas de inundacin, la primera entre 22 y 28 msnm y la otra entre 28 y 30 msnm. El tramo B (el tramo en estudio) se encuentra entre el puente Cceres y el proyectado puente Integracin, con una longitud total de 2,5 Km., partido en cinco sectores (puente Cceres puente Intendencia, puente Intendencia puente Snchez Cerro, puente Snchez Cerro puente San Miguel, puente San Miguel puente Bolognesi, puente Bolognesi futuro puente Integracin). Tiene una pendiente de 0,030 % y el ancho del cauce se reduce a 80 120 m. Existen zonas de proteccin en el tramo B, correspondiendo a los sectores I, II (mrgenes derechas), III y IV (ambas mrgenes); as que las zonas sin proteccin son los sectores I, II (mrgenes izquierdas) y V (ambas mrgenes). Las defensas construidas constan de un terrapln de relleno, protegido mediante tablestacas y tensores, para control de la erosin del lecho, y un revestimiento del talud del relleno, para evitar la erosin lateral y su destruccin. El rea aguas abajo del proyectado puente Integracin hasta el puente Grau est denominada como tramo C. Finalmente, el tramo D abarca el ro Piura aguas abajo del puente Grau hasta su desembocadura en la Laguna Ramn.

25

Fig. 2.5: El tramo B de la zona urbana del Ro Piura

26

2.3.1 Hidrologa El objetivo del estudio hidrolgico Estudio para el Tratamiento Integral del Ro Piura fue la determinacin de las avenidas caractersticas que pueden ocurrir en el ro Piura a su paso por la ciudad de Piura, como consecuencia de las lluvias que se producen en la parte de la cuenca aguas arriba de la zona urbana, teniendo en cuenta que durante los impactos del Fenmeno El Nio las precipitaciones en la cuenca baja sobre pasan las intensidades de las precipitaciones en la parte media y alta de la cuenca. 2.3.1.1 Precipitaciones El rgimen hidrulico del ro Piura se puede dividir en dos temporadas, correspondiente a la distribucin de las precipitaciones en la zona de la cuenca; un periodo de avenidas desde febrero hasta abril y un periodo de estiaje desde junio hasta diciembre. En la cuenca baja, las precipitaciones se presentan entre enero y mayo, con los valores ms altos en marzo y abril. Durante los otros meses del ao, prcticamente no hay precipitaciones en la cuenca baja. La cuenca alta est caracterizada por precipitaciones durante todo el ao, pero tambin con los valores ms altos entre enero y mayo. La zona de las precipitaciones ms altas se encuentra entre 1.700 y 2.900 msnm, no vlido durante la ocurrencia del fenmeno El Nio, cuando las condiciones y las precipitaciones son totalmente diferentes. Por ejemplo, las precipitaciones acumuladas durante el fenmeno El Nio de los aos 1997-1998 fueron extremadamente intensas en la cuenca media del ro Piura, provocando caudales muy altos, especialmente en la zona urbana de la ciudad de Piura.

Tabla 2.3: Precipitaciones acumuladas de la cuenca del ro Piura entre diciembre de 1997 y mayo de 1998

Estacin Precipitaciones [mm]

Miraflores 2.031,4 Mallares 1,765,2

Chulucanas 3.410,1 Tambogrande 3.949,6

Ayabaca 1.659,2 Tumbes 2.453,5 Talara 1.315,3 Paita 910,8

Sechura 1.040,2

27

El anlisis de las inundaciones indica que el centro de las lluvias est situado generalmente entre Chulucanas y Morropn, extendindose hacia las pendientes occidentales de la cordillera. En casi todos los eventos El Nio, el rea de mayor intensidad de lluvias se sita a lo largo de una lnea de inestabilidad que se desarrolla entre el valle del Alto Piura y el de San Lorenzo (Figura 2.6), producto de la fuerte actividad convectiva que se ve reforzada por la intensificacin del sistema de circulacin local brisa mar tierra en condiciones que la temperatura del mar se encuentra muy por encima de su normal.

Fig. 2.6 Eje de crecimiento de un complejo convectivo Este comportamiento tpico, de un eje de crecimiento de un complejo convectivo, corresponde a un evento de tormenta que se ha originado a partir de varias clulas convectivas dispersas y locales que se generan en la plataforma costera de Piura.

28

Segn los estudios, se toma la estacin Miraflores en la ciudad de Piura como la estacin clave de las precipitaciones de la cuenca. El anlisis estadstico (distribucin Log-Normal con 3 parmetros) llega a los valores siguientes para el perodo de retorno de las precipitaciones (Pmax24h):

Tabla. 2.4: Perodos de retorno de las precipitaciones (distribucin Log-Normal con 3 parmetros, estacin Miraflores)

Perodo de retorno

[aos] Pmax24h [mm]

10 62 25 106 50 147 100 196 200 230 500 275

2.3.1.2 Avenidas En el recorrido existen varias estaciones hidrolgicas para la medicin de las precipitaciones y los caudales. Las estaciones ms importantes de la cuenca son las de Chulucanas (puente cara), Tambogrande y Piura (puente Snchez Cerro). Segn los registros desde el ao 1926, el rgimen de flujo del ro Piura es muy irregular y depende directamente de la ocurrencia del fenmeno El Nio y las precipitaciones. En la estacin hidrolgica del puente Snchez Cerro, los caudales del ro varan entre 0 m3/s y ms que 4.000 m3/s, como resultado del fenmeno (4.424 m3/s en el ao 1998, vase Fig. 2.7 y tabla 2.6).

Fig. 2.7: Hidrograma de la mxima avenida registrada en la Presa de Los Ejidos, en el mes de marzo de 1998, entre los das 10 (21:00 horas) y 14 (21:00 horas)

HIDROGRAMA MARZO 1998

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 24 48 72 96

Tiempo (horas)

Cau

dal (

m3 /s

)

29

En el ao 1998 la duracin del perodo de la crecida estuvo comprendida de Enero a Mayo de 1998. Los valores de la descarga mxima media diaria (Qmaxmd) y de la descarga mxima instantnea diaria (Qmaxid) registrados para la estacin hidromtrica Los Ejidos, estn en la tabla 2.5 que a continuacin mostramos.

Tabla 2.5 Valores de la descarga mxima media diaria y de la descarga mxima instantnea diaria

Fecha Qmaxmd (m3/s) Qmaxid (m3/s) 12.03.98 3256 4424 01.04.98 3367 3816

Fuente: Proyecto especial Hidroenergtico Alto Piura

30

Tabla 2.6: Caudales mximos instantneos anuales del ro Piura, estacin Snchez Cerro, 23,3 m.s.n.m (marcado los caudales > 2000 m3/s y caudales = 0 m3/s)

ao Q [m3/s] ao Q [m3/s] ao Q [m3/s] 1926 860 1951 0,0 1976 388 27 610 52 153 77 646 28 124 53 2.200 78 167 29 135 54 44 79 74

1930 95 55 350 1980 45 31 450 56 1.530 81 568 32 1.900 57 1.700 82 390 33 620 58 690 83 3.200 34 438 59 900 84 980 35 379 1960 81 85 112 36 390 61 88 86 25 37 39 62 115 87 574 38 508 63 37 88 6 39 1.525 64 33 89 845

1940 185 65 2.500 1990 6 41 2.220 66 49 91 14 42 405 67 82 92 1.793 43 2.250 68 21 93 1.042 44 273 69 180 94 1.108 45 220 1970 29 95 75 46 134 71 545 96 101 47 41 72 1.616 97 638 48 42,5 73 845 98 4.424 49 1.010 74 58 99 3.107

1950 0,0 75 272

Despus del fenmeno del ao 1983, se han realizado varios estudios hidrolgicos que generalmente han concluido que este evento alcanz una magnitud casi imposible de repetirse. El caudal de esta avenida (3.200 m3/s) se adopt como caudal de diseo para la reconstruccin y rehabilitacin de la represa Los Ejidos y las protecciones ribereas. Pero, en los aos de 1997-1998, estas conclusiones quedaron obsoletas, con caudales durante el evento del fenmeno de 4.424 m3/s.

31

El rango usual de periodos de retorno de las avenidas, considerado para este tipo de ros y de proteccin riberea, es el intervalo entre 5 y 150 aos. Dado que la inversin econmica en proteccin riberea podra sobrepasar largamente los daos eventuales que pudieran ocurrir en la cuenca, se puede concluir que no es recomendable aplicar avenidas de diseo con una probabilidad de ocurrencia mayor de 100 aos. Se concluye que el perodo de retorno recomendable est entre 20 y 100 aos, as que se decide realizar los estudios para avenidas con 25, 50 y 100 aos de perodo de retorno. Con estos resultados, tambin se definen los parmetros del modelo matemtico.

Tabla. 2.7: Avenidas mximas para los diferentes perodos de retorno

(estacin de Piura puente Snchez Cerro)

Perodo de retorno [aos]

Probabilidad de ocurrencia [%]

Qmax [m3/s]

25 4 2.906 50 2 3.773 100 1 4.546

Hidrogramas Sintticos

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Tiempo (horas)

Q (m

3 /s)

Q10 Q25

Q50 Q100

Fig. 2.8: Hidrogramas sintticos para perodos de retorno de 10, 25, 50 y 100 aos

32

2.3.1.3 Niveles de agua - Velocidad En la tabla siguiente se muestran las mediciones de los caudales y los niveles tpicos realizados en los puentes Snchez Cerro, Cceres y Bolognesi durante el fenmeno El Nio 1997-1998.

Tabla. 2.8: Caudales mximos durante el fenmeno El Nio 1997-1998 (puentes Snchez Cerro, Cceres y Bolognesi, Piura)

Fecha Caudal [m3/s]

Nivel [msnm]

Ancho [m]

Tirante [m]

Velocidad [m/s]

Puente Snchez Cerro 12.03.98 4.424 29,8 18.03.98 1.144 24,7 86 5,9 2,3 23.03.98 2.274 25,9 109 5,4 3,9 25.03.98 1.174 24,7 85 5,0 2,8 31.03.98 2.350 26,2 104 5,9 3,8 01.04.98 3.727 27,4 107 7,2 4,9 02.04.98 2.352 26,0 105 5,2 4,3

Puente Cceres 12.03.98 4.424 30,5 17.03.98 2.491 27,7 138 8,5 2,1 23.03.98 2.219 26,7 140 6,9 2,3 25.03.98 1.324 25,0 121 5,1 2,1 31.03.98 2.289 27,1 135 6,8 2,5 01.04.98 3.650 28,6 140 8,3 3,1 02.04.98 2.352 26,7 131 6,7 2,7

Puente Bolognesi 22.12.97 308 24,7 90 3,3 1,0 31.12.97 510 25,4 102 3,3 1,5 09.01.98 1235 26,8 129 3,8 2,5 18.02.98 424 24,7 105 4,1 1,0 11.03.98 1750 27,3 126 5,2 2,7 12.03.98 4424 27,8

Se puede observar que el mximo nivel de agua registrado en el puente Snchez Cerro (cota 29,8 msnm) corresponde a un caudal de 1670 m3/s a fines de enero de 1983. Cuando se present la avenida mxima de ese ao (3200 m3/s), el nivel de agua fue 0,90 m menor que el valor antes mencionado. El caudal se duplic, sin embargo el nivel de agua disminuy en lugar de aumentar. Esta diferencia slo es explicable por la erosin que se produce al fondo del cauce (vase cap. 2.3.4). Adems, tambin en 1998 cuando se present una avenida de 4424 m3/s, el nivel de agua fue 0,9 m menor que el mximo nivel registrado en 1983.

33

El punto ms vulnerable de todo el tramo urbano es el puente Cceres, donde el nivel de agua corresponde a la cota 30,50 m.s.n.m. Considerando que los mximos niveles de agua del ao 1983 fueron casi un metro mayores que los de 1998, esto indicara que ya se han presentado en oportunidades anteriores niveles de agua mayores de 30,50 m.s.n.m en la seccin donde se ubica el puente Cceres. Para calibrar o verificar un modelo, se busca reproducir la curva niveles de agua observados caudal registrado en el prototipo para un determinado caudal, siendo la variable de calibracin normalmente la rugosidad. Sin embargo, para el ro Piura este procedimiento resultara poco prctico, pues no existe una relacin nivel de agua caudal definida, debido a los efectos de erosin. As que se han buscado relaciones independientes de la erosin para la calibracin del modelo, como la relacin entre la velocidad y los caudales.

.

Velocidades medias en los puentes vs. Caudal

R2 = 0.94

R2 = 0.84

R2 = 0.94

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

CAUDAL (m3/s)

VE

LOC

IDA

D M

ED

IA (m

/s)

Cceres S. CerroBolognesi

Fig. 2.9: Relacin velocidad caudal en el tramo urbano (puentes Cceres, Bolognesi y Snchez Cerro)

Se puede observar que las velocidades ms altas se presentan en el puente Snchez Cerro, con valores por encima de 4 m/s. Este puente es ms angosto (110 m) que los otros dos (130 m y 150 m), pero eso no explica un incremento tan alto en la velocidad. La razn de las altas velocidades es la existencia de un estrato de material muy duro prcticamente no erosionable en la margen izquierda (vase cap. 2.3.4).

34

2.3.1.4 Rugosidad Es comn afirmar que la mayor incertidumbre en la modelacin hidrulica es la precisin de los valores de rugosidad del cauce. Normalmente, este parmetro se usa como el parmetro de calibracin de los modelos para explicar los distintos niveles de agua con diferentes caudales. Sin embargo, este parmetro no sirve para la modelacin del ro Piura. En este caso la mayor incertidumbre en los niveles de agua viene dada por la erosin. No obstante, se adoptaron los valores caractersticos del coeficiente de rugosidad de Manning como se puede ver en la tabla 2.9. El cauce del tramo urbano est en su mayor parte encauzado y rectificado, con una arena uniforme y poca vegetacin, facilitando la estimacin de los coeficientes de rugosidad, teniendo un valor promedio de 0,030.

Tabla 2.9: Coeficientes caractersticos de rugosidad de Manning

Descripcin n de Manning

Llanura de inundacin 0,030 a 0,040 Cauce principal 0,015 a 0,030

Talud de concreto 0,014 a 0,022 2.3.2 Geologa El tramo entre la presa Los Ejidos y el futuro puente Integracin, est caracterizado por un afloramiento de un substrato posible Formacin Zapallal, que constituye el basamento rocoso del cauce. En las calicatas que se ejecutaron para el Estudio para el Tratamiento Integral del Ro Piura se han confirmado la presencia de limos ligeramente calcreos, poco cohesivos. Las rocas de este tipo se encuentran meteorizadas con pronunciadas manifestaciones de oxidacin, lo que determina un grado de alteracin que permite niveles de erosin local en las riberas y erosin diferencial en el fondo del cauce. Adems, se ubican depsitos de inconsolidados (elicos, fluviales, aluviales) depositados en el perodo cuaternario y reciente, que se encuentran cubriendo la parte superficial del tramo II en sus mrgenes izquierda y derecha. La mayor parte de los materiales inconsolidados existentes son las arenas arcillosas, arcillas y escombros. Los ros secundarios y quebradas que aportan una gran cantidad de sedimentos a la parte baja de la cuenca, son los ros Yapatera, Corrales, Bigote, Seco, Huarmaca y la quebrada Carneros. Estos tributarios se encuentran en las cabeceras de la cuenca. En el tramo A, entre Los Ejidos y puente Cceres, el basamento rocoso es aflorante y en las zonas de llanura de inundacin se le ubica a la profundidad de 5,50 m a 6,80 m y llegando de 1,50 m a 0,50 m en los lugares ms superficiales. La profundidad del basamento rocoso en el tramo B, entre los puentes Cceres e Integracin, se describe en la tabla siguiente:

35

Tabla 2.10: Profundidad del basamento rocoso en el tramo urbano (tramo B)

Estacin Profundidad del basamento rocoso Margen izquierda Cauce Margen derecha

Pte. Cceres 5,00 m 5,00 m Pte. Intendencia 0,50 m 1,20 m 3,45 m

Pte. Snchez Cerro 3,50 m 1,50 m 2,00 m Pte. San Miguel 9,50 m 10,50 m 11,25 m

Pte. San Miguel Pte. Bolognesi

0,00 m 0,60 m

Pte. Bolognesi 10,00 m 2,50 m Pte. Bolognesi Pte. Integracin

10,00 m 14,55 m 14,50 m

Fig. 2.10: Perfil estratigrfico del tramo B Segn las investigaciones, las propiedades de los principales materiales de los tramos A y B presentan valores como les mostrados en la tabla 2.11.

36

Tabla 2.11: Propiedades de los principales materiales del tramo B

Propiedades Tramo B

Peso especfico 2,55 a 2,82 Peso volumtrico 1,56 a 2,02 gr/cm3

Angulo de rozamiento interno 29 a 36

Cohesin 0,18 a 0,70 kg/cm2 Resistencia a la

Compresin Inconfinada 1,10 a 22,97 kg/cm2

Lmites de Atterberg LL = 31,00 a 80,00 LP = 13,00 a 34,17 IP = 10,00 a 55,00

Tipos de suelos SP, SM, SP-SM, SC, CL

2.3.3 Erosin y sedimentacin Dentro de la ciudad, el ro Piura tiene una reducida capacidad hidrulica, esto debido a que el ancho del ro se reduce a menos que 100 m, en comparacin con ms que 1.000 m en la zona fuera de la ciudad. Esta capacidad depende directamente del proceso de erosin y sedimentacin; as que la capacidad hidrulica mxima se puede obtener solamente combinada con la erosin mxima del fondo del cauce. Debido a las construcciones de proteccin y las edificaciones a lo largo de la ribera urbana, el ro no puede cambiar su ancho significativamente. El gran cambio del ancho, entre la zona aguas arriba y aguas abajo del tramo urbano y su paso por la ciudad, provoca velocidades muy altas y erosin. Comparando los datos de las investigaciones anteriores sobre el terreno y el cauce principal con la situacin actual, se puede constatar que en algunas zonas los niveles del fondo han bajado hasta 2 m por debajo de los niveles iniciales. En ambas mrgenes se observa erosin, con la mayor erosin en la margen izquierda, donde la cota de fondo promedio es 15,20 m.s.n.m; la de la margen derecha es 20,00 m.s.n.m. Gracias a estas erosiones, el ro no se desbord inundando la ciudad durante la ocurrencia de las avenidas del ao 1998, aunque los caudales mximos han sobrepasado el caudal de diseo y la capacidad tcnica de la defensa urbana contra inundaciones. En el ao 1998, los caudales tuvieron un crecimiento paulatino desde 1485 m3/s del 9 de enero hasta 4424 m3/s del 12 de marzo, provocando tambin un aumento de la capacidad hidrulica del cauce del ro en el tramo urbano por erosin. Investigando la erosin del ro, se puede analizar dos parmetros diferentes: la erosin general del cauce en la zona urbana y la erosin local a lo largo del tramo urbano, especialmente cerca a los puentes. Debido a las erosiones locales, se han detectado zonas de erosin alta de varios metros de profundidad, que han puesto en peligro la seguridad de los puentes y provocaron la cada de dos puentes durante las avenidas del ao 1998.

37

Aguas abajo del tramo urbano, las velocidades y fuerzas hidrulicas bajan y se establecen condiciones para la sedimentacin. En el ao 1998, el cauce se ha levantado en esta zona por los materiales bsicamente del tramo urbano. En la zona del dique Chato se ha formado un fondo de cauce nuevo, con niveles mucho ms altos que antes 1998. Despus de las avenidas de este ao, la capacidad hidrulica baj a solamente 10 m3/s, desbordando los diques en la zona. Por esto, fue necesario excavar el material sedimentado, aumentado la capacidad hidrulica para las avenidas de los aos siguientes. En el tramo urbano, el ro Piura tiene las caractersticas principales de un ro aluvial. Se trata de un lecho constituido por partculas sueltas y de diferentes tamaos, resultado de la erosin en la cuenca. Segn la terminologa internacional, se pueden clasificar las partculas del ro Piura como se muestra en la tabla 2.12.

Tabla 2.12: Terminologa internacional del tamao de la partcula

Tamao Denominacin D < 0,004 mm arcilla

0,004 mm < D < 0,062 mm limo 0,062 mm < D < 2,0 mm arena

2,0 mm < D < 6,4 cm grava 6,4 cm < D < 25,6 cm cantos

25,6 cm < D bolos El parmetro que influye de manera significativa en el proceso de erosin y sedimentacin, es el tamao de la partcula y la representacin del volumen. El lecho del tramo urbano del ro Piura es principalmente de limo y arena, con tamaos de 0,004 mm hasta 2,0 mm. El peso del material slido es del orden S = 2,60 t/m3, como el peso especfico similares a otros de este tipo. Aparte del material suelto, el ro est caracterizado por material rocoso, denominado como Zapallal, as que se representan zonas del lecho cohesivo. 2.3.3.1 Principio de inicio de movimiento El conocimiento de las condiciones para un movimiento inicial de las partculas, denominado como la condicin crtica del movimiento de fondo, es uno de los problemas ms complicados del anlisis sedimentolgico en un ro. Aparte del nmero de parmetros que lo influyen y las condiciones especficos para cada ro, existe un consenso general que para este tipo de estudios se pueden usar los resultados de Shields. La accin de agua sobre el fondo puede caracterizarse por una tensin cortante en el fondo (con D = tamao de las partculas; S = peso especfico):

= 0 / [(S - ) D]..2.1

compara como cociente la fuerza promotora del movimiento (accin de arrastre proporcional a 0D2) con la fuerza estabilizadora (peso proporcional a ( S - )D3 ). La tensin de fondo vale (con R: radio hidrulico; I: pendiente motriz):

0 = RI 2.2

38

La velocidad de corte (V*), que se define convencionalmente a partir de la tensin 0, es la siguiente:

0 = 2 V*2 V* = (0 / 2)1/2 2.3 Para llegar al movimiento, la tensin adimensional debe alcanzar un valor lmite de principio de movimiento. Este principio de movimiento depende del tamao de la partcula, como se necesita una tensin mayor cuanto mayor es el tamao de la partcula. Otro parmetro que influye en este fenmeno es el grado de turbulencia, definido como nmero de Reynolds (Re*, donde es viscosidad):

Re* = (V* D) / 2.4 A mayor Re* el movimiento es ms turbulento alrededor de la partcula. Cuando Re* > 70, el movimiento se llama turbulento rugoso, ya que la altura del grano D es mayor que la subcapa lmite laminar. En el movimiento turbulento rugoso, la tensin necesaria para iniciar el movimiento o tensin crtica ya no depende del nmero de Reynolds. En este caso es: 0 / [(S - ) D] = 0,0562.5

El nmero de Reynolds para el cauce principal es ms de 70 y se trata de un flujo turbulento rugoso, especialmente durante el perodo de avenidas; as que se puede establecer el lmite de movimientos como:

0 = 0,056 (S - ) D = RI = hI..2.6 En este caso como un canal ancho, el radio hidrulico y el tirante coinciden prcticamente (R = h). As se puede determinar el tirante mnimo necesario para iniciar el movimiento del lecho, con el D50 = 0,3 mm como dimetro caracterstico: hI = 0,056 (S - ) D50 ........... 2.7 h = 0,056 (S/ - 1) D50 /I = 0,056 (2,6 - 1) 0,0003 / 0,00037 = 0,073 m Este resultado significa que durante caudales normales y ms aun durante avenidas, todo el material del fondo se encuentra en movimiento. Adems, se podra suponer que una alta fraccin del material entra en suspensin dentro del seno del fluido en movimiento. Un tirante de solamente unos cuantos centmetros es capaz de poner en movimiento el material del fondo.

39

2.3.3.2 Transporte de sedimentos El modo de transporte ms importante en el cauce principal del ro Piura es el transporte por suspensin, sostenido por la turbulencia del flujo. Una partcula inicialmente en reposo puede ser transportada a saltos por el fondo cuando supera el lmite de movimiento. Luego, con el ro creciendo, puede ser transportada por suspensin. Cuanto hay un aumento de la fuerza y la velocidad del ro, mayor es el tamao del material del fondo que es puesto en suspensin. En el tramo urbano del ro Piura, el material suspendido representa normalmente hasta 90 %, que tiene gran repercusin en la formacin del cauce, especialmente aguas abajo de la zona urbana. Junto con este modo de transporte, hay un transporte de fondo que tambin influye la morfologa del ro, formando meandros. Durante los perodos de lluvia, especialmente durante la ocurrencia del fenmeno El Nio, el origen del material transportado puede ser del cauce o de la cuenca hidrogrfica del ro. A largo plazo, el material del cauce del ro Piura tiene tambin su origen en la cuenca, transportando por suspensin. Usualmente se asume que el tamao de la partcula D = 0,065 mm separa el material de origen del cauce y de cuenca, en sentido que el material superior procede del lecho y el inferior del lavado de la cuenca. Al lado del modo de transporte y del origen de los materiales, el comportamiento est influido por el equilibrio del transporte de sedimentos, que ocurre cuando el ro no sufre modificaciones en su cota. Este equilibrio est definido por los parmetros como caudal lquido y slido, la pendiente del ro y el tamao de sedimento. En el caso del ro Piura, estos parmetros tienen una variacin importante en el espacio y el tiempo. Los caudales varan entre unos m3/s y unos miles de m3/s. Es obvio que durante perodos de avenida, el ro no tiene un equilibrio, as que se producen erosiones graves en el tramo urbano. Despus de las avenidas, la situacin es diferente; en las zonas de erosin anterior ocurre la sedimentacin. Por razones de la morfologa y las condiciones hidrulicas, el proceso de erosin es mucho ms pronunciado en los tramos A y B que en los tramos C y D, que es la zona de sedimentacin muy pronunciada con una pendiente ms reducida. La ocurrencia de lluvias intensas en la parte alta de la cuenca provoca la erosin de material ms grueso, que una vez transportado en la cuenca media y baja, genera esta sedimentacin en la zona aguas abajo del tramo urbano. Como se menciona anteriormente, se puede distinguir dos tipos de erosin: la erosin general del fondo, que se puede explicar por la accin de un flujo de agua caracterizado por una velocidad media; y la erosin local, caracterizada por una pequea extensin y la accin de un flujo ms complejo, que tiene una fuerte turbulencia y desarrolla vrtices. Las erosiones ms importantes del ro Piura son la erosin lateral, que es una erosin de orillas en tramos curvos, y la erosin en zonas de las estructuras, como pilares de los puentes. En el tramo urbano se puede observar ambos tipos de erosin.

40

Por un lado, la erosin general es ms pronunciada en el tramo urbano que en los tramos C y D; por otro lado, este tramo tiene curvas que provocan erosin lateral (erosin local). Adems, otras zonas de erosin local son las zonas de los pilares de los puentes, como consecuencia de la distribucin no uniforme de velocidades. Por ejemplo, cerca del puente Cceres se puede observar erosin en los pilares muy profunda, hasta ms de 10 m y mucho ms que la erosin general durante el mismo tiempo. Tambin se puede distinguir una erosin transitoria y una permanente, tomando en cuenta la clasificacin temporal de la erosin. La forma transitoria es el descenso del fondo de un cauce aluvial durante perodos de avenida. Cuando decrece la avenida de nuevo, la superficie libre baja y el fondo asciende rellenando el espacio erosionado de forma transitoria. Despus de una avenida, la cota del fondo es la misma que antes, sin embargo esto no dice nada sobre el estado durante la avenida. La erosin transitoria puede provocar daos y colapso total de las estructuras en las riberas, como las estructuras de proteccin; o de las estructuras en el ro, como los pilares de los puentes.

41

160.00

PROGRESIVA 4 + 093

30.00

28.00

24.00

26.00

0.00

18.00

22.00

20.00

20.00 60.0040.00

EJE IZQUIERDO

38.00

36.00

32.00

34.00

area=308.23

120.00100.0080.00 140.00

20.00

20.00

18.00

22.00

24.00

0.00

PROGRESIVA 4 + 294

60.0040.00 100.0080.00

area=332.87

120.00 140.00 160.00190.00

38.00

36.00

32.00

34.00

26.00

30.00

28.00

EJE IZQUIERDO

20.000.00

30.00

28.00

24.00

26.00

20.00

18.00

22.00

M A L E C O N

VIVIENDA

MURETE

area=289.5418

120.00

PROGRESIVA 4 + 194

100.0080.0040.00 60.00 160.00140.00

38.00

EJE IZQUIERDO

34.00

32.00

36.00

LEYENDA :

AO 2000

AO 1981

AGUAS ARRIBA DEL PTE. SNCHEZ CERRO

INMEDIATAMENTE AGUAS ARRIBA DEL PTE. SNCHEZ CERRO

AGUAS ABAJO DEL PTE. SNCHEZ CERRO

PROGRESIVA 3 + 009

24.00

40.000.00

20.00

18.00

22.00

20.00

PROGRESIVA 3 + 200

80.0060.00 100.00 120.00

EJE IZQUIERDO

38.00

36.00

32.00

34.00

26.00

28.00

30.00

20.000.00

30.00

26.00

24.00

28.00

18.00

20.00

22.00

80.00 100.0060.0040.00

EJE IZQUIERDO

38.00

32.00

34.00

36.00

160.00140.00 190.00180.00

AO 2000

LEYENDA :

AO 1981

180.00

area=416.36

180.00140.00 160.00120.00

area=389.05

28.00

24.00

26.00

22.00

0.00

20.00

18.00

PROGRESIVA 3 + 597

20.00 40.00 80.0060.00

area=360.25

140.00120.00100.00 160.00

36.00

38.00

30.00

32.00

34.00

EJE IZQUIERDO

M A L E C O N

MURETE

INMEDIATAMENTE AGUAS ABAJO DEL PTE. CCERES

AGUAS ABAJO DEL PTE. INTENDENCIA

AGUAS ABAJO DEL PTE. CCERES

Fig. 2.11: Comparacin de la erosin general en el tramo urbano del Ro Piura entre 1998 y 2000

42

2.3.4 Protecciones ribereas existentes El tramo del ro Piura, desde la presa Los Ejidos hasta su desembocadura en la Laguna Ramn, se puede dividir en tres partes de sistema de proteccin. El tramo entre la presa Los Ejidos y el futuro puente Integracin tiene medidas de proteccin contra inundaciones como diques, que protegen las partes de Piura y Castilla. Las construcciones de proteccin comenzaron generalmente en el ao 1983. Antes de este ao, la ciudad tena diques provisionales que fueron diseados para avenidas con el perodo de retorno de no ms de cinco aos, con una altura de apenas dos metros. As que las avenidas de los aos 1965 y 1972 afectaron la ciudad, inundndola gravemente. Por esta razn, en 1976 comenzaron estudios e investigaciones sobre la proteccin riberea. El sistema de proteccin fue diseado para el caudal de 2800 m3/s, correspondiente al perodo de retorno de 50 aos segn los datos disponibles en este momento. Este caudal signific niveles mximos de agua debajo de los niveles mnimos de los puentes existentes en este momento, adecuado a la correspondiente capacidad hidrulica. Las protecciones constaron de diques de defensa, muros de contencin y el revestimiento de las orillas del ro y del talud, aguas arriba de los diques con losas de concreto. Pero antes de iniciar la construccin de las obras de defensa, las avenidas del Fenmeno El Nio del ao 1983 desbordaron parcialmente el cauce del ro, inundando gran parte de la ciudad con un caudal mximo registrado de 3200 m3/s; as que se aument la capacidad hidrulica del cauce y se cambi el diseo del sistema de proteccin para avenidas de 3200 m3/s.

Las protecciones existentes no se extienden por todo el tramo urbano. Solamente hay sistemas de defensa en los sectores I (margen derecha), II (margen derecha), III y IV (ambas mrgenes) del tramo B. Los otros sectores, como tambin el tramo A, permanece sin protecciones hasta ahora (vase Fig. 2.12).

43

+

+

Los Ejidos

Pte. Cceres

Pte. Intendencia

Pte. Snchez Cerro

Pte. San Miguel

Pte. Bolognesi

Pte. Integracin

Fig. 2.12: Sectores del tramo urbano

(se encuentran marcados los sectores protegidos) El tramo B y tambin el sector I comienza con el puente Cceres, donde el ro entra en una curva y sufre un estrechamiento a 150 m. Aguas arriba del puente, hay protecciones en ambas mrgenes, unos 60 m en la margen derecha y unos 100 m en la margen izquierda, constituida por losas de concreto y gaviones, las cuales que se encuentran en buen estado. Aguas abajo del puente Cceres, gran parte la margen derecha est protegida por losas de concreto, parcialmente reemplazadas por una proteccin de enrocado despus de las destrucciones de la avenida en el ao 1998.

Foto 2.1: Enrocado de proteccin de estribo izquierdo de puente Cceres

Sector II

Sector III

Sector IV

Sector V

Tramo A

Tramo B

Sector I

+

+

+

+

44

Adems, existe un tramo corto de 40 m en esta margen con un muro de contencin. La margen izquierda se ha protegido parcialmente con roca en reemplazo de las losas destruidas por la erosin en una longitud de aproximadamente 70 m, seguido por un tramo con protecciones de losas de concreto. Y luego, hay un dique que continua hasta el puente Snchez Cerro.

Foto 2.2: Tramo entre puente Cceres y puente Snchez Cerro. El sector II se inicia con el puente Intendencia, que se ubica tambin en una curva, siendo la margen derecha la parte interior de la curva. En la margen derecha se encuentran distintos sistemas de proteccin, como enrocado (40m), losas de concreto (30m) y a continuacin un malecn, que se extiende hasta el puente Bolognesi. En la margen izquierda continua el dique (vase fotografa anterior). A partir del puente Snchez Cerro, en el sector III, comienzan las obras de proteccin en la margen izquierda en forma de losas de concreto. En la margen derecha continua el malecn. El sector IV est protegido con losas de concreto en ambas mrgenes, parcialmente deterioradas y reemplazadas por enrocado. Aguas abajo existen muros de ladrillo y concreto tambin en ambas mrgenes, destruidos en una longitud de 30 m. Aguas abajo del puente Bolognesi (sector V) comienzan los diques de defensa en ambas mrgenes como la nica proteccin riberea, que continan hacia el Bajo Piura.

45

Foto 2.3: Aguas abajo del puente Bolognesi 2.4 Impactos del Fenmeno El Nio 1997-1998 en el tramo urbano Las avenidas del fenmeno El Nio 1997-1998, de acuerdo con su magnitud, sus caudales mximos y promedios y el tiempo de persistencia (en total 161 das), no han podido pasar por el tramo urbano sin daar y debilitar seriamente las obras de encauzamiento del ro y otras infraestructuras en el cauce del ro, especialmente los puentes. Por efectos hidrulicos y socavacin de los cimientos de apoyos, en la ciudad de Piura colapsaron dos puentes, puente Viejo y puente Bolognesi, perdindose en estos accidentes varias vidas humanas. El primer puente no resisti los caudales mximos del 12 de marzo y colaps en la madrugada del mismo da, mientras que el segundo se cay el 16 de marzo debido a la fuerte socavacin de los cimientos de sus apoyos. Fueron diferentes las causas que produjeron la cada de los puentes en Piura; en la Foto 2.4, se observa que a pesar de que existe un borde libre de aproximadamente 2 m, el puente est soportando esfuerzos de trabajo no previstos y no se produce colapso. En la Foto 2.5 se muestra el mismo puente, pero colapsado, el nivel del agua no lleg a tocar el tablero (como sucedi en el puente Cceres, vase Foto 2.7 y 2.8), sin embargo las fuerzas producidas fueron suficientes para que colapsase. Otro puente de la ciudad de Piura que colaps fue el Bolognesi (vase Foto 2.6). El nivel del agua se mantuvo por debajo del tablero. Segn los datos presentados y la experiencia de los hechos ocurridos, es obvio que los puentes no estaban diseados para soportar empujes y/o socavaciones originados por caudales tan altos como los producidos durante 1998.

46

Foto 2.4: Puente Viejo con un caudal de 4400 m3/s

Foto 2.5: Vista del puente Viejo colapsado.

47

Sin embargo, el puente Cceres, de reciente construccin, soport el Fenmeno de 1998. En las fotos 2.7 y 2.8 se muestra dicho puente con la mxima avenida registrada (4400 m3/s) y se observa que no existe borde libre e incluso hay un pequeo remanso de algunos centmetros que ya estaban apareciendo; de acuerdo a los procesos constructivos utilizados, y ya que el diseo no tiene previstas situaciones como esta, se puede afirmar que el puente estuvo muy cerca de colapsar.

Foto 2.6: Vista del puente Bolognesi colapsado

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. Foto 2.7: Vista del puente Cceres con el caudal de 4400 m3/s

Foto 2.8: Otra vista del puente Cceres con el caudal de 4400 m3/s

49

Como consecuencia de los impactos especificados, la defensa riberea urbana sufri los siguientes daos:

- Debido a la profunda erosin del fondo de cauce a lo largo de las tablestacas, en el taln del revestimiento de las losas de concreto, en el talud de la orilla y de los diques de defensa en las orillas del ro, las tablestacas han quedado descubiertas y sin contrapeso en una altura de mas de 2,0m; bajo tales circunstancias no han podido resistir a las correspondientes cargas, lo que ha resultado en las roturas de las tablestacas en varios tramos de las mrgenes izquierda y derecha entre los puentes Bolognesi y Snchez Cerro y especialmente en la orilla derecha entre los puentes Snchez Cerro y Cceres.

- Las roturas de tablestacas han tenido como consecuencia las cadas de las

losas contiguas del revestimiento, quedndose el talud de la orilla expuesto a las erosiones y socavaciones, que han aumentado el volumen de daos.

- Por efectos de la erosin y la socavacin en el fondo del cauce y en el taln

del talud, se cay totalmente el revestimiento de concreto de la orilla izquierda a la altura del puente Cceres.

- En varios sitios se ha presentado el lavado del material en los taludes de las

orillas, por debajo del revestimiento de concreto, lo que ha provocado asentamiento, roturas, cadas y otros daos en las losas de concreto de revestimiento.

- Se han producido varias fuertes erosiones y socavaciones en el talud de la

orilla y en el dique provisional de defensa del tramo entre los puentes Snchez Cerro y Cceres, margen izquierda.

Teniendo en cuenta los regmenes hidrolgico e hidrulico del ro durante las avenidas de 1997/1998, era de esperar con gran probabilidad mayores daos. El no haber ocurrido, aparte de las razones apuntadas sobre los parmetros hidrulicos, tambin se debe a los arduos trabajos y medidas de prevencin y durante la emergencia llevados a cabo permanentemente, especialmente en los puentes Snchez Cerro y Cceres y otras localizaciones con problemas, en ambas orillas del tramo entre los puentes Snchez Cerro y Cceres. Debido a la fuerte erosin y socavacin del cauce del ro Piura, en su tramo urbano, los estribos y cimientos de los pilares de estos dos puentes tambin fueron expuestos a una fuerte erosin, encontrndose en grave peligro de colapso, con la consecuente interrupcin de las dos nicas vas de trnsito entre las dos partes de la ciudad, margen derecha (Piura) y margen izquierda (Castilla).

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Actualmente, por erosin y socavacin de ms de 2,0m de profundidad, todos los tablestacados en el taln de las losas de concreto del revestimiento de los taludes de las orillas y diques de la defensa, ubicados en el tramo entre los puentes Bolognesi y Puente Viejo de la margen izquierda y entre los puentes Bolognesi y Cceres de la margen derecha, han quedado descubiertos y sin los correspondientes contrapesos y contraempujes. Bajo las circunstancias indicadas las obras de encauzamiento y proteccin de la orilla han sido seriamente debilitadas, lo que se refleja directamente en la inestabilidad de los revestimientos y taludes de las orillas y, en general, de toda la defensa urbana de Piura y Castilla contra inundaciones. En un determinado momento se analiz la posibilidad de construir bloques de concreto fabricados in situ y as evitar el transporte (durante la emergencia era difcil traer piedras desde las canteras debido a la gran demanda de volquetes). Esta solucin fue descartada porque los bloques necesitaban un tiempo de fraguado y era urgente tomar medidas de proteccin, en la Foto 2.9 se observa la colocacin del enrocado de proteccin.

Foto 2.9: Vista de la colocacin del enrocado de proteccin. La construccin del puente Cceres redujo el ancho del cauce del ro, propiciando el que la corriente principal se dirigiera hacia la margen derecha, inmediatamente aguas abajo del mencionado puente (vase Foto 2.10). Esta situacin se agrav porque en esa zona no existen losas de proteccin (70 m.), colocndose, como medida de emergencia, un enrocado de un tamao promedio de piedra de 50 cm.

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Foto 2.10: Vista de aguas abajo del puente Cceres

El elevado caudal que pas por el ro Piura, trajo como consecuencia la destruccin de viviendas en la margen derecha, inmediatamente aguas abajo del puente Cceres, tal como se observa en las Fotos 2.11 y 2.12 En la visita de inspeccin se observ que la cimentacin de las viviendas llegaba a una profundidad promedio de 1.20 m. La erosin lateral producida por el ro fue dejando sin apoyo a las bases. Luego se produjo la destruccin. Debido a que las casas que se encuentran en la margen derecha del ro Piura, aguas abajo del puente Cceres, estaban en contacto directo con las aguas del ro, actuaron como defensas contra la inundacin de la ciudad (vase Foto 2.13). Se debe tener en cuenta que el ro estuvo a punto de desbordarse y no lo hizo porque estas construcciones lograron resistir, aunque quedaron muy afectadas. En lo que se refiere a los dos puentes que han quedado en pie, los cimientos de sus apoyos y estribos actualmente estn protegidos con enrocados provisionales, colocados durante las pasadas emergencias.

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Foto 2.11: Casas ubicadas aguas abajo del puente Cceres

Foto 2.12: Vista general de aguas abajo del puente Cceres

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Foto 2.13: Otra vista de la margen derecha aguas abajo del puente Cceres

CAPITULO 3

El River2D 3.1 Introduccin a la Modelacin Numrica de profundidad promedio 3.1.1 Apreciacin general Los adelantos en la capacidad de la computadora y la tecnologa del software estn haciendo el anlisis detallado ms rutinario en casi todas las ramas de la Ingeniera. Estos modelos son tiles en los estudios dnde los detalles locales de la distribucin de velocidad y profundidad son importantes. Los ejemplos incluyen diseo de puentes, encauzamientos, obras de derivacin e incluso la evaluacin del hbitat del pez. Esta introduccin tiene la intencin de dar una breve apreciacin general de la modelacin de ros en 2D, resaltando las consideraciones para las aplicaciones prcticas.

Con las posibles altas velocidades y grandes pendientes, y relativamente de poca profundidad, los ros y modelos de flujos presentan una difcil particularidad al desafo computacional. Este hecho es probablemente un factor significante en el retraso de aplicacin de modelos de agua poco profundos en ros comparados a los ros costeros y a problemas de estuarios.

Las aplicaciones en modelos de ros en 2D normalmente enfocan una limitada magnitud del cauce, tpicamente menor de diez veces el ancho del cauce en la longitud. En la mayora de los casos, la variacin de la descarga es relativamente lenta comparado al tiempo de viaje de agua a travs del tramo, y las condiciones de estado permanentes siempre son perseguidas. La mayora de los modelos son diseados para dar soluciones transitorias, sin embargo, y a menudo la solucin permanente deseada es obtenida como una asntota a la solucin transitoria (impermanente) despus un largo lapso de tiempo.

56

3.1.2 Modelos de profundidad promedio Hay diversos dominios comerciales y pblicos de modelos 2D disponibles. Ellos son basado en una variedad de esquemas numricos y ofrecen un rango grfico pre y post procesador de mdulos. Los fundamentos fsicos son ms comunes, sin embargo, todos los modelos 2D resuelven la ecuacin bsica de conservacin de masa y los dos componentes (horizontales) de conservacin de velocidad adquirida (impulso). Las salidas del modelo son dos componentes (horizontales) de velocidad y profundidad a cada punto o nodo. Las distribuciones de velocidad en la vertical son asumidas para ser uniformes y las distribuciones de presiones son asumidas para ser hidrostticas.

Los diseos del modelo 2D se basaron en diferencias finitas, volmenes finitos, y tambin del mtodo de elementos finitos. Cada mtodo tiene sus ventajas y desventajas. Al riesgo de groseramente afirmar que el mtodo de volmenes finitos ofrece la mejor estabilidad y eficacia mientras que el mtodo de elementos finitos ofrecen la mejor flexibilidad geomtrica.

3.1.3 Recopilacin de datos

Puede ser un clich decir que un modelo slo es tan bueno como la entrada de los datos, pero es verdad. Como en los datos de entrada, los modelos hidrodinmicos 2D requieren la topografa del fondo del cauce, rugosidad, as como condiciones de borde, y las condiciones iniciales del flujo. A dems, alguna clase de malla discreta debe disearse para capturar las variaciones del flujo.

Obteniendo una representacin exacta de la topografa del fondo es probablemente lo ms crtico, difcil, y el tiempo que toma los ejercicios de modelacin 2D es considerable. Los simples estudios de secciones transversales generalmente son inadecuados. Combinando GPS y los sistemas sonoros de profundidad para los ros grandes y los estudios distribuidos de Estacin Total para los ros ms pequeos tienen que ser buscados para ser efectivos. En cualquier evento, debe esperarse a gastar mnimo una semana para la coleccin de datos de campo para el estudio. Los datos del campo deben procesarse y deben verificarse a travs de un modelo de calidad digital del terreno antes de usarse como la entrada para los modelos 2D.

La rugosidad del fondo, en la forma de una altura de rugosidad o del valor del n de Manning, es un parmetro de entrada menos crtico. Comparado con modelos tradicionales unidimensionales dnde muchos efectos bidimensionales son resumidos en el factor de resistencia, el trmino de la resistencia bidimensional slo responde al cortante directo del fondo. Las observaciones del material del fondo y del tamao de las formas del fondo ( dunas, bancos de arena, etc.) son normalmente suficientes para establecer estimaciones de rugosidad razonables. Si los valores de rugosidad requeridos son poco realistas, es probable que haya problemas con la topografa del fondo.

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Las condiciones del borde normalmente toman la forma de una descarga total en las secciones de entrada y en las secciones de salida las elevaciones de superficie de agua son fijas.

Colocando los bordes del flujo a alguna distancia de las reas de inters es importante para minimizar el efecto de incertidumbre de las condiciones de borde. Las condiciones iniciales son importantes, incluso para el flujo permanente, desde que ellos son normalmente usados como la suposicin inicial en el procedimiento de la solucin iterativa. Una buena suposicin reducir significativamente el tiempo de ejecucin total y puede hacerse la diferencia entre una ejecucin permanente y una impermanente.

El diseo de la malla o cuadricula es el arte de la modelacin 2D. El nmero total de grados de libertad (el nmero de nodos, tres incgnitas por nodo) est limitado por la capacidad de la computadora y el tiempo disponible. El desafo es distribuir estos nodos de tal manera que la solucin ms exacta se obtenga para un propsito particular. Estrechamente los nodos espaciados en las regiones de alto inters o en regiones de variacin de flujo, los cambios graduales en el espaciamiento del nodo, y regularidad de elemento o forma de la celda son consideraciones importantes.

Para eliminar las preocupaciones sobre los efectos del diseo de la malla en la solucin final, las soluciones de ms de un diseo deben ser comparadas. Afortunadamente, los pre-procesadores grficos estn disponibles para ayudar al diseo y despus para interpretar los resultados. Desafortunadamente, stos requieren mucho ms esfuerzo de la programacin, y por consiguiente puede ser ms caro, que los mismos modelos 2D hidrodinmicos.

3.2 Principios de la modelacin hidrodinmica 2D

En esta seccin se piensa proporcionar un breve aspecto en los procedimientos fsicos y numricos que estn bajo los procedimientos de los modelos hidrodinmicos 2D de profundidad promedio. El valor prctico de esta seccin es que ayude a explicar la importancia de los parmetros de la entrada y tambin a resaltar las limitaciones y esperar con fiabilidad los resultados del modelo.

Es importante comprender que hay dos niveles de aproximacin inherente en ms modelos de computadora.

El primer nivel de aproximacin est en la abstraccin de la realidad fsica a una formulacin matemtica. A este nivel, nosotros dejamos fuera un gran trato para enfocar en lo que nosotros consideramos es ms importante. Incluso para este subconjunto limitado de realidad, nosotros no siempre entendemos el comportamiento completamente. La turbulencia es un clsico ejemplo.

El segundo nivel de aproximacin es la transformacin de las afirmaciones matemticas a la aritmtica de la computadora. El esencial problema aqu es que mientras nuestra matemtica es bastante sofisticada para reconocer que el espacio real est compuesto de un infinito nmero de puntos, nuestras computadoras deben trabajar con un nmero finito. El error de la aproximacin disminuye cuando nosotros agregamos ms puntos, pero nosotros estamos limitados por la velocidad y la memoria disponible de la computadora.

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3.2.1 Formulacin Fsica La modelacin de profundidad promedio es basada en los principios fsicos bsicos de conservacin de masa y de velocidad adquirida (impulso) y en un conjunto de leyes constitutivas que relacionan el impulso y la resistencia de las fuerzas a las propiedades de flujo y de movimiento. Para ilustrar el proceso de abstraccin, las leyes de conservacin de masa se desarrollarn a continuacin con un poco de detalle. La conservacin ms compleja de velocidad adquirida es brevemente esbozada con las consideraciones por las leyes necesarias.

3.2.1.1 Conservacin de Masa Considere una columna imaginaria en un flujo de ro, rectangular en planta (dimensiones x e y) extendindose a travs de la profundidad de agua, H, como se muestra en la figura 3.1 Conservacin de masa para este elemento o volumen de control dice que:

La taza de cambio del volumen del agua del elemento en el tiempo es igual a la taza neta del flujo del agua del elemento a travs de los l