Huaycos, desastres y mitigación MODELACIÓN DE HUAYCOS

Transcripción

CAPÍTULO DE INGENIERÍA CIVIL
MODELACIÓN DE HUAYCOS COMO
HERRAMIENTA PARA LA GESTIÓN Y
PREVENCIÓN DE DESASTRES
Huaycos, desastres y mitigación
M.A.S. Juan W. Cabrera C.
Investigador Asociado - IMEFEN
Facultad de Ingeniería Civil
Universidad Nacional de Ingeniería
DESASTRES Y VULNERABILIDAD
Un desastre se define como el estado en que una población (grupo o
individuo) no es capaz de hacer frente, es decir, no es capaz de superar los
efectos negativos de un evento extremo, sin ayuda externa. Esta definición
se ajusta a la visión moderna de desastre como un evento social, donde las
personas en riesgo son vulnerables a los efectos de un evento natural
extremo, debido a sus condiciones sociales.
El proceso de mitigar o prevenir desastres es la gestión del riesgo. La
gestión del riesgo se define como la suma de todas las acciones tomadas
antes, durante, o después de un evento extremo para evitar desastres.
La gestión del riesgo no es sólo una tarea técnica, sino que debe conducir a
mejorar el bienestar general de las personas amenazadas por eventos
extremos.
Un desastre natural es un desastre causado por eventos naturales
extremos. Se produce sólo si un evento natural extremo afecta a una
población vulnerable.
¿Qué es vulnerabilidad?
La vulnerabilidad, es el grado de debilidad o exposición de un elemento o
conjunto de elementos frente a la ocurrencia de un peligro natural o
antrópico de una magnitud dada.
Si la causa principal es de origen natural, el impacto y la magnitud de un
desastre son determinados por la influencia humana.
Asociado con la ocurrencia de huaycos hay dos tipos de problemas:
1. determinar de huaycos para la planificación
2. previsión de huaycos para la alerta temprana
¿Quién es vulnerable?
Objetos o personas podrían ser vulnerables. Estos son elementos en riesgo
(EAR).
Tipos de vulnerabilidad:
1. Vulnerabilidad monetaria: la vulnerabilidad se puede expresar en
términos de costo para el restablecimiento de las condiciones anteriores
2. Vulnerabilidad social: refleja la condición social de las personas en
situación de riesgo
3. Vulnerabilidad ambiental: describe la sensibilidad del medio ambiente a
los daños de los eventos extremos
Tipos de riesgos
Riesgo intuitivo: riesgo percibido, difícil de cuantificar, pero criterio de
decisión importante en casos sensibles (!la energía nuclear!)
Riesgo de seguro: consecuencia = valor del objeto asegurado (edificio, vida,
etc)
Riesgo de diseño: incluye el riesgo de seguro (para edificios) pero también
las consecuencias de fallas de construcción
Riesgo residual: consecuencias debido a la falla del sistema:
• consecuencias sociales
• consecuencias económicas
• consecuencias ecológicas
MAPA DE
SUSCEPTIBILIDAD A
HUAYCOS (CAN,
2009)
¿SE ESTÁ INCREMENTANDO LA OCURRENCIA DE EVENTOS?
Fuente: Kinzelbach (2011)
Feb
Abr
Jun
Ago
Oct
Dic
2 per. media móvil (Dic)
12.0
Ene
Mar
May
Jul
Set
Nov
2 per. media móvil (Jun)
13.0
11.0
10.0
9.0
8.0
7.0
6.0
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
1989
1988
1987
1986
1985
1984
1983
1982
1981
1980
1979
1978
1977
1976
1975
1974
1973
1972
1971
1970
1969
1968
1967
1966
1965
1964
POSIBLES CAUSAS
Factores externos:
Clima y tiempo
uso excesivo y destrucción del medio ambiente
Factores locales:
aumento de la población (urbanización)
Migración en áreas en peligro
Población de la ciudad de Lima (millones de habitantes)
Porcentaje de superficie ocupada ilegalmente del total de zona urbana en
algunos ciudades de países en desarrollo (obtenido a partir de diferentes
fuentes por Domeisen et.al. 1996)
¿QUÉ HACER?
REDUCIENDO IMPACTOS
Para mejorar la seguridad de las personas en lo que respecta a los
desastres, se debe desarrollar medidas de mitigación apropiadas basadas
en el reconocimiento de los cambios tanto en la vulnerabilidad y en la
resistencia.
Hay tres formas diferentes de mitigación de desastres
•Podemos reducir la vulnerabilidad
•Podemos aumentar la resistencia.
•Podemos reducir el impacto
REDUCIENDO IMPACTOS
El problema es cómo hacerlo.
Idea clave: se trata de un problema de optimización, a ser resueltos por
medio de los métodos de investigación de operaciones. Para ello, todos los
parámetros de entrar el problema tiene que ser puesto en relación
apropiada
¿CÓMO EVITAR LOS FLUJOS DE ESCOMBROS?
La promoción de medidas tanto estructurales y medidas no
estructurales puede prevenir desastres relacionados con
sedimentos.
Las medidas estructurales son construcciones de
instalaciones, (como la presa Sabo), y las no estructurales son
medidas como el establecimiento de sistemas de alerta y
refugio.
¿AMENAZA DE HUAYCO? (1)
Para evaluar el potencial de ocurrencia de flujo de escombros
debido a la erosión de lecho, se debe tomar en cuenta la
siguiente ecuación:
donde ho= es el tirante de agua sobre el sedimento; dp es el
diámetro de partícula; k es la tranmisividad lateral; y q es la
pendiente del lecho.
Si se cumple, hay alta probabilidad de ocurrencia.
Asimismo, para el lecho en cuestión, podemos encontrar el
caudal mínimo que cumpla esta condición (qc).
¿AMENAZA DE HUAYCO? (2)
Conociendo el caudal que circula por la quebrada (análisis
hidrológico), podemos definir la variable X:
y decir que: si X>1, hay potencial de ocurrencia de huaycos
PROBABILIDAD DE OCURRENCIA
¿CÓMO EVITAR LOS FLUJOS DE ESCOMBROS?
MEDIDAS DE PREVENCIÓN
• Construir en lugares donde no han ocurrido aluviones, ni en
pendientes de terreno inestable o en zonas inundables.
• Sembrar árboles y arbustos ya que éstos proporcionan
estabilidad al suelo.
• Establecer un sistema de vigilancia y alerta en las quebradas
(silbato, campana, trompeta, triángulo, megáfono, etc.).
• Preparar un maletín de emergencia que contenga ropa, agua
y alimentos no perecibles.
• Identifica y difunde las zonas de seguridad y las rutas de
evacuación con apoyo técnico de la oficina de Defensa Civil
de tu localidad.
TRABAJOS EN LADERA (1)
La forestación adecuada de laderas desnudas y la
conservación adecuada de estas pendientes frenará la
ocurrencia de flujo de escombros.
En general se requiere de las siguientes tareas: evitar el
movimiento de la superficie del suelo “banqueteando” las
pendientes, adición de suelo fértil, reteniendo agua y luego la
plantación de árboles que fácilmente enraícen, y finalmente
la restauración de la fisonomía original del bosque.
TRABAJOS EN LADERA (2)
DRENAJE
Deslizamientos de tierra bien enraizada a gran escala son
causadas por la subida del nivel de las aguas subterráneas y,
a veces se transforma en flujo de escombros.
El drenaje no es solución suficiente para detener flujos de
escombros pero sí para evitar la reactivación de un
deslizamiento y es un método estándar de ingeniería.
PRESAS SABO (1)
PRESAS SABO (FUNCIONAMIENTO)
PRESAS SABO (FUNCIONAMIENTO)
PRESAS TIPO REJILLA
BARRERAS FLEXIBLES (1)
• Aplicable para volúmenes de escombros de hasta 1000m3.
• Durante un evento, la distribución de presión total en la red
se puede aproximar discretizando el tiempo de llenado
continuo y luego mediante el seguimiento de sobretensiones
sobre los depósitos originales.
• Para una barrera completamente llena, desbordante material
de escombros carga la red con un componente de fuerza
normal y de corte.
• Debido a la permeabilidad de la red, los flujos de escombros
se drenan como resultado de la retención del material sólido.
• La longitud detenido de el flujo de los escombros y la cantidad
de material define la llamada razón de longitud/masa.
• El llenado continuo de la barrera puede ser modelado ahora
paso a paso: Después de que el primer impacto el material
adicional anula la primera oleada detenido proporcionando
peso adicional y compresión a los sedimentos subyacentes
liberando así la mayor parte del agua de los poros en el
tiempo.
OTRAS SOLUCIONES INGENIERILES
Cualquier medida estructural requiere un
monitoreo permanente.
MODELAR PARA PREVENIR Y
MITIGAR, UNA HERRAMIENTA
SOFTWARE
Amenaza Alta
Amenaza Media
Amenaza Bajo
MODELOS FÍSICOS (1)
QUEBRADA EXPERIMENTAL (Swiss Federal Institute for
Forest, Snow and Landscape - WSL)
CANALETA EXPERIMENTAL
(Cascade Volcano Observatory)
MODELOS FÍSICOS (2)
CANAL EXPERIMENTAL (Swiss Federal Institute for Forest,
Snow and Landscape - WSL)
EJEMPLO:
POZA DE ATENUACION Y RETENCIÓN DE
MATERIALES SÓLIDOS
ZONA DE ESTUDIO
La zona de estudio está ubicada políticamente en la Región Tacna, Provincia
de Jorge Basadre distrito de Ilabaya, entre las coordenadas 70°26´30” y
70°34´21” de longitud Oeste del Meridiano de Greenwich; 17°07´48” y
17°25´21” de latitud Sur.
Pertenece a la Cuenca hidrográfica del Pacífico y confluye al río Ilabaya por
su margen derecha.
Tiene una extensión de 170.86 Km2, con una longitud de cauce principal de
31.91 Km aproximadamente y un perímetro de 105.2 Km.
Altitud mínima de 1371 m.s.n.m y una máxima de 4815 m.s.n.m.
Pendiente promedio de 31.16% y pendiente del cauce principal 8.96%.
METODOLOGÍA UTILIZADA
 Generación de Hidrograma líquido
 Generación de Hidrograma sólido - líquido
•Se aplicó un modelo numérico bidimensional (FLO2D) para la simulación
del flujo hiperconcentrado de barro, utilizando las ecuaciones que
gobiernan el movimiento en su expresión más completa (onda dinámica).
•El modelo considera el fluido homogéneo (una sola fase) de
concentración variable, sin distinción entre los tamaños de sedimento.
•La grilla seleccionada para el modelo es de 30m.
•Se estimó como primera aproximación una distribución de Cv en el
tiempo partiendo de un valor de 0.25 y aumentando gradualmente hasta
0.45. El pico de Cv debe ubicarse unos minutos antes del pico del
hidrograma líquido.
•El hidrograma de caudal líquido con la respectiva concentración
volumétrica de sedimento, es la condición de borde aguas arriba.
•Se asumió una rugosidad “n” de Manning de 0.04 en el cauce de la
quebrada.
•Los parámetros reológicos del fluido se fijaron en función de la similitud
encontrada entre las muestras de campo y las muestras incluidas en la
literatura especializada. Las muestras tipo, provenientes de la literatura,
fueron recolectadas de depósitos naturales de flujos de lodo en Colorado
Rocky Mountain cerca de las ciudades de Aspen y Glenwood Springs, USA.
Las ecuaciones utilizadas para el modelo son (O´Brien & Julien, 1988):
  0.0360e22.1C
v
 y  0.181e 25.7C
v
•La gravedad específica del sedimento es igual 2.65.
•El tiempo de simulación es de 20 horas.
Para evaluar medidas de mitigación, se modifica la topografía y se
introduce el elemento estructural a analizar.
Para este caso, se proyectó ubicar una poza de las siguientes
características:
Elemento
Característica
Forma
Trapezoidal
Base menor
35m
Base mayor
55m
Longitud
120m
Ancho de la cresta 5m
Altura
Variable: 5, 6, 7.5m
RESULTADOS
Los resultados de la modelación sin la estructura tipo poza nos reportan los
siguientes volúmenes:
Flujo
Hidrograma de entrada (INFLOW)
Almacenamiento dentro del área de análisis
Flujo fuera del área de simulación (OUTFLOW)
Agua (m3)
215876.61
111790.85
104085.76
Agua con
sedimento (m3)
322769.48
164849.73
157919.75
RESULTADOS
Simulación para tres posibles alturas de cresta:
Altura de cresta
(m)
Agua
(m3)
215876.61
Agua con
sedimento (m3)
322769.48
Almacenamiento dentro del área
de análisis
Flujo fuera del área de simulación
(OUTFLOW)
146403.64
217082.73
69446.20
105643.93
215876.61
322769.48
de análisis
(OUTFLOW)
146692.90
217425.39
69183.71
105344.09
215876.61
322769.48
de análisis
(OUTFLOW)
146988.23
217952.52
68861.89
104774.74
Flujo
5
6
7.5
Deposición del huayco a lo largo de la quebrada Colocaya.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
PREMISA: se acepta como válido el hecho que para un volumen V de lodos,
si conseguimos represar la tercera parte de dicho volumen, los dos tercios
restantes sufrirán un fenómeno similar a un remanso y no descargarán
aguas abajo.
Altura de
cresta (m)
Sin poza
5
6
7.5
Agua con
sedimento (m3)
157919.75
105643.93
105344.09
104774.74
Volumen Retenido
por Poza (m3)
-52275.82
52575.66
53145.01
La alternativa correspondiente a la poza de 6m de altura cumple con el
requisito mencionado
EJEMPLO:
SIMULACION DE FLUJO DE ESCOMBROS
CON FLO2D EN LA
QUEBRADA CANSAS, ICA
En el año 2007, el Proyecto Especial Tambo-Caracocha (PETACC) obtuvo el
modelo FLO-2D versión 2006. Convenio Universidad de Miami-PETACC.
Proyecto: Quebrada Cansas (Ica)
Chanchajalla
Tinguiña
Parcona
Ica
Análisis de la problemática de la Quebrada Cansas
Quebrada Cansas
Parámetros Geomorfológicos
Subcuenca de la Quebrada Cansas
Discretización del terreno
Configuración de mallado en zona de diques actuales
Caracterización Hidrológica
Descargas máximas simuladas por HFAM
Fuente: ATA S.A
Hidrograma de avenida líquido, Quebrada Cansas
Fuente: ATA S.A
Análisis de frecuencias, Distrib. Gumbel
Fuente: ATA S.A
Caracterización Geotécnica
Según ATA S.A, la quebrada Cansas tendría acumulado un volumen del orden de 300 x
10E6 m3 de arena), parte del cual es transportado a la parte baja hasta llegar al río Ica.
El material de la quebrada es mayoritariamente grava con arena con un porcentaje de
finos (arcilla y limos).
Resultados de pruebas geognósticos en Cansas
Hidrogramas de ingreso
Análisis e Interpretación de Resultados
Tirantes máximos (m)
Los tirantes máximos
en la zona del cauce
son de hasta 3.7 m
debido a la
acumulación de
material aguas arriba
de los diques
existentes.
En la parte baja de la
quebrada, en la zona
de encauzamiento se
observan tirantes de
hasta 4m debido a la
disminución de la
pendiente y el
encajonamiento que se
presenta antes de
llegar a la confluencia
con el río Ica.
Tirantes máximos (m)
En la zona de diques
existentes podemos
verificar el
funcionamiento de los
mismos y los tirantes de
acumulación de material.
En la zona de los diques,
los tirantes máximos se
encuentran en el orden
de los 3.7 m. También se
observa que en el caso
de los 4 primeros diques
el flujo llega a
sobrepasar las crestas lo
que nos da una idea del
estado actual de esos
diques.
EJEMPLO:
SIMULACION DE FLUJO DE ESCOMBROS
CON FLO2D EN LA
QUEBRADA SANTO DOMINGO, CHOSICA
OBJETIVOS
• Modelar numéricamente el flujo de lodos a lo
largo de una quebrada.
• Determinar posibles zonas de afectación frente a
un flujo de lodos producto de un evento
extraordinario en un período de 100 años.
ZONA EN ESTUDIO - UBICACION
• Distrito de Lurigancho, Provincia de Huarochiri,
Departamento de Lima, en coordenadas 76°22´35” y
76°24´07” de longitud Oeste del Meridiano de
Greenwich; 11°46´38” y 11°50´20” de latitud Sur.
• Extensión: 4 km2
• Altitud mínima de 850 m.s.n.m y máxima de 1750
m.s.n.m.
• Su longitud de eje del cauce principal es de 3.85 km y
presenta una pendiente promedio de 23%.
ZONA EN ESTUDIO - UBICACION
ZONA EN ESTUDIO - HIDROLOGIA
CARACTERISTICA
RESULTADO Y COMENTARIO
Area (A)
4 Km2 (cuenca pequeña)
Longitud del cauce (L)
3.98 Km (longitud del cauce principal)
Perímetro (P)
9.33 Km
Parámetros de Forma de la Cuenca
Factor Forma de Horton
Rf = 0.25
Índice de Gravellius
Ic = 1.31
Razón de Circularidad
Rc = 0.58
Parámetros relativos al relieve
Altitud máxima
m.s.n.m.
1850
Altitud mìnima
m.s.n.m.
850
Pendiente Promedio
25%
ZONA EN ESTUDIO - HIDROLOGIA
• De acuerdo al estudio de la Cuenca del río San Mateo,
realizado por la consultora CESEL Ingenieros S.A., para el
estudio hidrológico de la quebrada Collana, la
precipitación máxima para un tiempo de retorno de 100
años es de 38.3mm.
• Asimismo, se obtiene que t =19.6 minutos y que
t =11.8minutos.
c
lag
• Debido a que en algunos estudios hidrológicos de la
zona de Chosica, los CN de las quebradas de la zona
varían entre 78 a 83, asumiremos un valor de 82.
METODOLOGÍA
•
Como primer paso, se procedió a ingresar los datos de cuenca al modelo
HMS, para obtener el hidrograma (tr= 100 años).
•
Los resultados muestran un caudal pico de 9.4m3/s.
METODOLOGÍA
•
Se asumió una rugosidad “n” de Manning de 0.04 en el cauce de la
quebrada, y de 0.012 en la zona urbanizada (cono de deyección).
•
El modelamiento del flujo de escombros se realizó con el software FLO 2D.
Para este modelamiento es necesario tener la topografía, el hidrograma
líquido-sólido, las propiedades del sedimento, y los parámetros reológicos.
•
Los parámetros característicos del sedimento se fijaron de acuerdo a la
experiencia en otros países, donde se ha calibrado con cuencas
experimentales. Las muestras tipo, provenientes de la literatura, fueron
recolectadas de depósitos naturales de flujos de lodo en Colorado Rocky
Mountain cerca de las ciudades de Aspen y Glenwood Springs, USA. Las
ecuaciones utilizadas para el modelo son (O´Brien & Julien, 1988):
METODOLOGÍA
  0.0360e 22.1C
v
 y  0.181e 25.7C
v
•
La gravedad específica del sedimento se asumió 2.65.
•
El tiempo de simulación es de 20 horas.
•
El hidrograma de sólidos fue estimado distribuyendo el rango de
concentraciones de manera tal que el resultado sea una curva similar al
hidrograma líquido.
METODOLOGÍA
RESULTADOS
• Los volúmenes reportados por el modelo FLO-2D son:
Flujo (m3)
Almacenamiento dentro del área de análisis
Flujo fuera del área de simulación (OUTFLOW)
Agua (m3)
35936.62
29453.07
6483.69
Agua con
sedimento (m3)
49647.19
40220.39
9426.80
• El volumen de entrada (INFLOW) se subdivide en un volumen
almacenado dentro de malla analizada (STORAGE) y un volumen de
salida (OUTFLOW).
• Se puede visualizar elevación del terreno, superficie del agua, zonas de
mayor y menor deposición, zonas con mayor y menor velocidad,
dirección del flujo, zonificación por vulnerabilidad, y otras más.
RESULTADOS
RESULTADOS
RESULTADOS
RESULTADOS
CONCLUSIONES
 El uso de modelos numéricos permite simular los efectos de una estructura
de mitigación sobre el flujo tipo huayco, facilitando verificar la eficiencia de
la estructura y su optimización.
 Asimismo, permite evaluar la opción económicamente más rentable y de
efectos deseados.
 Finalmente, permite construir mapas de vulnerabilidad en función de los
resultados obtenidos, y planificar medidas de mitigación y prevención de
desastres.
¡GRACIAS!
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Huaycos, desastres y mitigación MODELACIÓN DE HUAYCOS

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