1. INTRODUCCIÓN:

El presente proyecto tiene como zona de estudio el río Piura, el cual forma parte de la cuenca hidrográfica del mismo nombre (Río Piura). Esta cuenca se caracteriza por presentar un régimen hidrológico altamente variable, influenciado por fenómenos climáticos como El Niño Costero, que generan crecidas excepcionales. Un claro ejemplo de ello fue el evento ocurrido en el año 2017, cuando el río alcanzó caudales máximos que provocaron graves inundaciones y afectaciones en gran parte de la ciudad de Piura, así como los episodios de 1983 y 1998, que también causaron fuertes precipitaciones, desbordes y daños significativos en la infraestructura y la población de la región.

La zona de estudio presenta una topografía muy llana en la parte baja de la cuenca, lo que hace vulnerable a inundaciones durante eventos extremos. Además, el crecimiento urbano no planificado en la ciudad de Piura y sus alrededores ha incrementado el riesgo ante desbordes, generando la necesidad de contar con herramientas de modelación hidráulica que permitan evaluar distintos escenarios de caudales y proponer medidas de mitigación antes estos fenómenos. 

En tal sentido la simulación hidráulica de este sector del río Piura permite analizar el comportamiento del flujo en distintos tramos del cauce, para identificar el índice de peligrosidad mediante mapas representativos y así poder mitigar los desastres naturales asociados a inundaciones de esta zona de estudio. 

2. ANTECEDENTES:

El presente proyecto consiste en dos simulaciones hidráulicas del río Piura. La primera simulación hidráulica consiste en el modelamiento unidimensional (1D) con la herramienta HEC-RAS con un caudal de diseño Q= 800 m3/s. Para su ejecución se asignaron diversas variables tales como el coeficiente de Manning de acuerdo al tipo de terreno de las zonas inundables, la pendiente del cauce principal del río tanto como agua arribas y aguas abajo; y el periodo de retorno adoptado de acuerdo al criterio de diseño. En tal sentido, esta simulación nos permitirá identificar los resultados tanto como tirantes y velocidades representados de cada sección transversal y el perfil longitudinal del cauce principal. 

La segunda simulación del presente proyecto consiste en el modelamiento bidimensional (2D) con la herramienta Iber con un caudal de diseño Q=4,000 m3/s, que nos permitirá ver los resultados hidráulicos tales como los calados y velocidades, así como los mapas representativos de peligrosidad (HR). Estos resultados permitirán clasificar las zonas inundables según su nivel de peligrosidad. Asimismo, con el propósito de facilitar la comprensión del comportamiento hidráulico del río, el proyecto incluye una representación visual de la simulación mediante un video, en el cual se muestra el comportamiento del flujo ante un evento extremo en la zona de estudio.

3. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO:

El río Piura está ubicado en la zona norte del Perú ubicadas en las coordenadas UTM WGS84 Zona 17S, donde limita en las coordenadas Norte: 9351196.25m – 9477038.59 m y Este: 493547.49m – 676699.89m, donde pertenece a la cuenca del río Piura con una extensión de más de 12,000 km2, naciendo a 3,600 msnm en la cordillera de los andes en la provincia de Huarmaca y recorre 280 km hasta su desembocadura al océano pacífico. Así mismo, el río Piura presenta pendientes suaves en su tramo más bajo, así como moderadas en las partes media y en las zonas mas altas presentan pendientes muy pronunciadas. Presenta caudales variables y sufre grandes fluctuaciones, llegando a registrarse caudales máximos que superan los Q=3,000 m3/s de lo que hace propenso a inundaciones, frecuentemente en la ciudad de Piura y en su curso más bajo. Esta zona de estudio presenta pendientes que varían significativamente a lo largo de su curso, debido a sus características geomorfológicas, teniendo pendientes en zonas más bajas con valores de 0.005% (0.00005 m/m) y en zonas mal altas pueden alcanzar a valores de 7.8% (0.078 m/m).

Finalmente, como otra descripción principal del río Piura en la presente zona de estudio, es el tipo de terreno que se caracteriza por tener suelos aluviales, con cauces definidos, con coberturas de arena fina, vegetación ribereña y cultivos cercanos a las llanuras del río y una rugosidad moderada.

4. OBJETIVO DEL PROYECTO:

• Determinar los tirantes y velocidades con un caudal Q=800 m3/s, representados en secciones transversales y el perfil longitudinal en el tramo de estudio del río Piura, utilizando un modelamiento unidimensional (1D) con la herramienta HECRAS.
• Elaborar un mapa de peligrosidad de inundación y un video de simulación con un caudal de Q=4,000 m3/s, a partir de rasteres de velocidades y calados en el tramo de estudio del río Piura, utilizando un modelamiento bidimensional (2D) con la herramienta IBER.

5. PROCEDIMIENTO:

A continuación, se presenta el flujograma del procedimiento para el modelamiento unidimensional (1D) y bidimensional (2D), con el propósito de contribuir a una mejor comprensión del desarrollo y alcance del presente proyecto.

5.1. MODELAMIENTO UNIDIMENSIONAL (1D) CON HECRAS: 

5.1.1. Estudios de campo:

Para un modelamiento hidráulico siempre es necesario determinar el caudal máximo mediante un estudio hidrológico, el cual permite estimar con mayor precisión la probabilidad de ocurrencia de un evento extremo y su correspondiente caudal de diseño, así como definir el periodo de retorno (TR) asociado. Así también como otros estudios de campo tales como la topografía y la inspección de geomorfología del terreno.

5.1.2. Diseño geométrico en Civil 3D:

A. Geolocalización:

Se importa la topografía al software Civil 3D para su procesamiento, utilizando el mapa georreferenciado en formato TIFF (imagen satelital), correspondiente al año en que se realizó la topografía.

A. Creación de superficie:

Se procede a generar la superficie topográfica (TIN) a partir de las polilíneas importadas en el civil 3D, donde solo se muestra el borde de dicha superficie (Amarillo).

C. Alineamiento de cauce principal:

Una vez definiendo el eje del río y los márgenes tanto como derecho e izquierdo del cauce principal en sentido del flujo, se procede crear el alineamiento a partir de una polilínea, tal como se muestra a continuación: 

D. Perfil longitudinal y pendiente:

Se asignó el perfil longitudinal utilizando la función Draw Tangents, con el fin de representar la pendiente del perfil tanto aguas arriba como aguas abajo. En este caso, la pendiente obtenida resultó -0.025%, de acuerdo al sentido del flujo:

E. Secciones transversales:

Se trazaron las líneas de muestreo a lo largo del eje del río. No obstante, se presentó una superposición entre ellas debido a las tangentes generadas en el alineamiento y al ancho necesario para el análisis de inundación. Por este motivo, fue necesario editar las líneas de muestreo con el fin de generar correctamente las secciones transversales.

F. Exportación a shapefile:

En este proceso se exportaron los bancos, el eje del río y las secciones transversales generadas, todos correspondientes al cauce principal. Estos elementos se exportaron en formato vectorial Shapefile, tal como se muestra a continuación:

5.1.3. Modelo geométrico en RAS Mapper:

A. Configuraciones regionales:

Se realizó las configuraciones regionales, cambiando el símbolo decimal por punto (.), el símbolo de separación de miles por coma (,). Así también se realizaron el cambio de unidades de medidas y la creación de proyecto en HECRAS con la extensión (prj).

B. Importación de terreno (Raster):

Se hiso una proyección en RAS Mapper a partir del shapefile exportado anteriormente – WGS84 UTM Zone 17S. Además, se hiso la edición de terreno, superficie que se exportó del Civil 3D, teniendo un tamaño de celda de 0.5 m.

C. Importación de eje, bank, ST e imágenes satelitales:

Se realizo la edición de la geometría del proyecto, importante el eje del río, Banks y secciones transversales. Además, se agregó la imagen satelital en formato tiff, cuya creación fue del año que se hiso la topografía. 

D. Visualización geométrica:

A continuación, se importó la geometría trabajada en RAS Mapper, la cual puede observarse en las secciones transversales, donde se aprecian los Banks (puntos que definen el cauce principal). En la siguiente figura se presenta la visualización en la opción “Geometric Data”:

5.1.4. Simulación hidráulica:

A. Condiciones de contorno: TR, Q, %:

En la opción Steady Flow data se asignó las condiciones de contorno, donde se asignó “Normal Depht”, considerándose una pendiente de -0.025%, con un período de retorno TR = 100 años y caudal de diseño de Q = 800 m3/s. 

B. Asignación de rugosidad:

Para la asignación de la rugosidad se emplearon los criterios propuestos por Ven Te Chow, considerando las características del cauce del río observadas mediante imágenes satelitales. Dada la dificultad de determinar un coeficiente de Manning específico, se aplicó el método de Cowan como complemento al análisis. En este sentido, se adoptaron los siguientes valores del coeficiente de Manning: n = 0.10 para las llanuras de inundación y n = 0.040 para el cauce principal, tal como se muestra a continuación. 

Asimismo, se procedió a calibrar el modelo numérico asignando los coeficientes de Manning a lo largo de las secciones transversales en sus respectivas estaciones.

C. Simulación hidráulica:

Se definió la simulación hidráulica “plan” en “steady flow data”, estableciendo un régimen de flujo subcrítico debido a la baja pendiente del cauce principal, la cual es de 0.025%.

D. Corrección con creación de leeves:

Se procedió a realizar la corrección del modelo hidráulico mediante la creación de leeves, los cuales limitan la zona de inundación que había sobrepasado el modelamiento hidráulico inicial. Estos diques fueron ubicados en las márgenes izquierda y derecha, en las zonas de mayor elevación, tal como se muestra a continuación:

E. Nueva simulación hidráulica:

Se efectuó una nueva simulación hidráulica incorporando la corrección de los diques (leeves) previamente agregados, manteniendo las mismas condiciones de contorno empleadas en la simulación inicial, tal como se muestra a continuación:

5.1.5. Resultados finales: 

A. Visualización de mapas, tirantes, velocidades y WSE:

Así también se pueden visualizar los mapas en RAS Mapper que representan los tirantes (Depth), velocidades (velocity) y la superficie de elevación del agua (WSE), tal como se muestra a continuación: 

B. Exportación de secciones transversales:

Para una mejor visualización, se procedió a la exportación de las secciones transversales, en las cuales es posible observar el tirante de agua, tal como se muestra a continuación:

C. Exportación de perfil longitudinal:

Asimismo, se procedió a exportar el perfil longitudinal correspondiente al presente modelamiento hidráulico, en el cual se observa el perfil del tirante de agua a lo largo de las progresivas, tal como se muestra a continuación:

5.2. MODELAMIENTO BIDEMIENSIONAL (2D) CON IBER: 

5.2.1. IMAGEN SATELITAL:

A. Exportación PCT a KML:

Se definido los puntos de control de terreno para ser exportados en formato KML en la herramienta Google Earth Pro, tal como se muestra a continuación:

B. Descarga de imagen satelital:

Se procede a descargar la imagen satelital del año en que se realizó la topografía, el cual es 02.09.2015, tal como se muestra a continuación: 

C. Georreferenciación de imagen satelital:

A continuación, se muestra la georreferenciación de la imagen satelital de fecha 02.09.2015, utilizando la herramienta QGIS y su complemento georreferenciador GDAL, tal como se muestra en la imagen siguiente:

D. Reproyección de imagen satelital:

Se realizó la reproyección de las imágenes satelitales con la extensión .prj en las coordenadas UTM 17S, tal como se muestra en la imagen siguiente:

5.2.2. MODELO GEOMÉTRICO EN CIVIL 3D:

A. Creación de superficie:

Se procedió a crear la superficie en Civil 3D, con la visualización de solo el borde del terreno.

B. Límite de superficie a shapefile:

A continuación, se extrajo el límite de la superficie, se convirtió la polilínea de 3D a 2D y, finalmente, se exportó en formato shapefile.

C. Modelo geométrico a shapefile:

Se importó en QGIS el límite del terreno en formato shapefile, con el fin de crear un polígono dentro de dicho límite. Posteriormente, se realizó el criterio de refinamiento de malla para el polígono generado. Este criterio permitirá definir el tamaño de la malla, determinando en qué zonas se deben aplicar las mallas de menor o mayor tamaño.

D. Importación de geometría en Iber:

Se importó el modelo geométrico a Iber, luego se agregó la imagen satelital reproyectada del año que se realizó la topografía de fecha 02.09.2015, tal como se muestra a continuación: 

5.2.3. TOPO BATIMETRÍA Y USOS DE SUELOS:

A. Exportación e importación de superficie DEM:

Se exportó la superficie del terreno a DEM con tamaños de celda de 0.5 m, 1 m, 2 m y 5 m, para ser importado en QGIS, tal como se muestra a continuación: 

B. Simbología de rugosidad distribuida:

Para asignar la rugosidad (coeficiente de Manning), se empleó un ráster generado a partir de los distintos usos de suelo. Para ello, se elaboró previamente un polígono en QGIS, el cual se dividió según el criterio de distribución de rugosidad, tal como se muestra a continuación:

C. Ráster de usos de suelo:

Se creó el ráster de usos de suelo a partir de la capa vectorial (polígono) creado, haciendo una conversión de vectorial a ráster en QGIS, tal como se muestra a continuación: 

D. Creación de archivo ASCII:

Fue necesario generar un archivo ASCII para incorporar en IBER la topografía junto con los diferentes valores de rugosidad (Manning) asociados a los usos de suelo. Para ello, el DEM en formato .tiff correspondiente a la topografía ‘S1-TN (1 m)’ se convirtió a formato ASCII, tal como se muestra a continuación:

5.2.4. SIMULACIÓN HIDRÁULICA:

A. Condiciones de contorno: Entrada y salida:

Se asignaron las condiciones de contorno para la entrada y salida, considerando un caudal Q=4,000 m³/s. En este sentido, se definió un instante de tiempo de 180 s para el ingreso de dicho caudal.

B. Tamaño y tipo de malla:

Se asignó un tipo de malla no estructurada, con tamaño de refinamiento en el cauce principal de 4 y en las llanuras de inundación de 20. Tal como se muestra a continuación:

C. Automatización de rugosidad:

Se creó un archivo de Excel para la asignación de usos de suelo en la base de datos de IBER. Posteriormente, se guardó como un archivo CSV delimitado por comas en la misma carpeta que el archivo ASCII. 

En tal sentido, se crearon los 2 tipos de uso de suelo en la base de datos de IBER, los cuales son: Pista e Isla, para actualizar los coeficientes de Manning. Finalmente se realizó la respectiva asignación automática de rugosidad con el archivo ASCII creado. 

D. Asignación de topografía en malla:

Se modificaron los nodos de la malla generada a partir del terreno, de modo que la topografía quedara correctamente agregada en la propia malla, tal como se muestra a continuación:

5.2.5. RESULTADO Y ANIMACIONES:

A. Asignación de tiempos de simulación:

Se configuró los parámetros de tiempos de simulación, tal como se muestra a continuación:

B. Visualización de resultados:

Se visualizó el procesamiento de la simulación hidráulica para las condiciones de contorno de entrada y salida, con un caudal de Q = 4000 m³/s. Asimismo, en la ventana de postproceso se observaron los resultados representativos de esta simulación, específicamente el calado y las velocidades.

C. Ráster de calado, velocidad y cota de agua:

Se procedió a exportar a QGIS el mapa de calados, velocidades y cota de agua en formato ráster con tamaño de celda de 1 m, tal como se muestra a continuación: 

D. Animación de resultados:

Se guardó un video en formato mp4 de la presente simulación hidráulica. Esta simulación se puede visualizar en el siguiente link: 

https://drive.google.com/file/d/1qGTfB4wbA0c_gPFNbDfZSYbrj-XSXB1G/view?usp=sharing

5.2.6. CÁLCULO DE PELIGROSIDAD:

A. Reproyección de resultados (Tirante y velocidad):

Se procedió a reproyectar los rasteres exportados de los resultados de la simulación hidráulica en IBER, correspondientes a tirantes y velocidades, como se muestra a continuación:

B. Índice de flujo de escombros DF y peligrosidad HR:

Para determinar el índice de peligrosidad HR, se calculó previamente el mapa de flujo de escombros DF considerando la zona urbana como tipo de suelo. Luego se calculó el mapa de índice de peligrosidad HR, con la calculadora ráster de QGIS, utilizando la fórmula: HR = D(V+0.5) + DF. Tal como se muestra a continuación:

C. Definición y vectorización de tipo de peligrosidad:

Se definió el ráster del tipo de peligrosidad (GeoTIFF) con la herramienta de “reclasificación por tablas”, luego esta capa ráster se vectorizó en polígonos, tal como se muestra a continuación:

D. Clasificación de índice de peligrosidad:

Finalmente se agrupo los tipos de peligro usando las herramientas de QGIS (buffer y disolver), permitiendo crea un nuevo campo para clasificar los tipos de peligro. Tal como se muestra a continuación: 

6. RESULTADOS:

6.1. MODELAMIENTO UNIDIMENSIONAL (1D) – HECRAS:

Los resultados de este modelamiento hidráulico unidimensional (1D), con un caudal de diseño Q=800 m3/s, son los siguientes:

• El tirante máximo es de 7.42 m
• La velocidad máxima es de 2.23 m/s
• La superficie de elevación de agua máxima es de 29.92 m

Visualización de los resultados:

• Secciones transversales: 

• Perfil longitudinal: 

6.2. MODELAMIENTO BIDIMENSIONAL (2D) – IBER:

Los resultados de este modelamiento hidráulico bidimensional (2D), con un caudal de diseño Q=4000 m3/s, son los siguientes:

• El calado es de 11.54 m
• La velocidad máxima es de 6.21 m/s
• Cota de agua es de 33.83 m

Se presenta el mapa de clasificación de peligrosidad HR de la simulación hidráulica con un caudal Q=4000 m3/s, tal como se muestra en la imagen siguiente:

5. CONCLUSIONES:

• El modelamiento hidráulico unidimensional (1D) realizado en HEC-RAS, utilizando un caudal de diseño de 800 m3/s, se obtuvieron los siguientes resultados:

              - El tirante máximo es de 7.42m

              - La velocidad máxima es de 2.23 m/s

              - La superficie de elevación de agua máxima es de 29.92 m

• Las líneas de muestreo representan la topografía mediante las secciones transversales en las cuales se puede tener un mejor entendimiento de la morfología del río mediante un modelamiento hidráulico unidimensional (1D). 
• El modelamiento hidráulico bidimensional (2D) realizado en IBER, utilizando un caudal de diseño de 4000 m3/s, se obtuvieron los siguientes resultados:

             - El calado es de 11.54 m

            - La velocidad máxima es de 6.21 m/s

            - Cota de agua es de 33.83 m

• En conclusión, la rugosidad del cauce se definió aplicando los criterios de Ven Te Chow y el método de Cowan, obteniendo valores representativos del coeficiente de Manning para el cauce principal y las llanuras de inundación. Posteriormente, se calibró el modelo numérico asignando dichos coeficientes a lo largo de las secciones transversales en sus respectivas estaciones.
• En conclusión, para el modelamiento hidráulico bidimensional (2D) se optó por asignar la rugosidad distribuida (coeficiente de Manning) mediante la creación de un ráster, lo que permitió representar adecuadamente la variabilidad espacial de los diferentes usos de suelo y, con ello, mejorar la precisión del modelo.
• La conversión del DEM a formato ASCII permitió integrar adecuadamente en IBER tanto la topografía como la distribución espacial de la rugosidad (coeficiente de Manning), garantizando así una correcta representación del terreno y de los diferentes usos de suelo en el modelamiento hidráulico.
• Se actualizó la base de datos creada en IBER conforme a los usos de suelo. Los valores del coeficiente de Manning adoptados corresponden a la clasificación de Ven Te Chow, siendo los siguientes:

           - Cauce del río: n=0.040

           - Suelo desnudo: n=0.023

           - Pista: n=0.018

           - Isla: n=0.025

• En el procesamiento del modelamiento hidráulico (2D) se observó que, al tiempo de 180 segundos, el caudal de entrada inició con un valor de Q=4000 m3/s, mientras que el caudal de salida fue incrementándose gradualmente hasta alcanzar el mismo valor de Q=4000 m3/s, conforme a lo establecido en las condiciones de contorno de entrada y salida.
• En el postproceso del modelamiento hidráulico bidimensional (2D), los resultados correspondientes al número de Froude, caudal específico y velocidad se presentan con sus componentes en las direcciones X, Y y su resultante. Esto indica que IBER realiza un modelo numérico verdaderamente bidimensional.
• En el mapa de clasificación de peligrosidad se identifican zonas de peligro Ninguno, Bajo, Moderado, Significativo y Extremo; siendo esta última la más relevante, debido al caudal de diseño empleado en la simulación, correspondiente a Q = 4000 m³/s.

6. RECOMENDACIONES:

• Se recomienda hacer una configuración previa de los separadores de decimales por punto (.) y separador de miles por coma (,), para evitar problemas en la simulación hidráulica que se realizó en HECRAS. 
• Para una adecuada simulación hidráulica con la herramienta HEC-RAS, se recomienda guardar el modelo en una carpeta de fácil acceso, evitando rutas demasiado largas o con múltiples subcarpetas, a fin de facilitar la ejecución del modelo y la visualización de los resultados.
• Durante el tratamiento de los datos del dibujo, es recomendable verificar que la superficie topográfica no contenga curvas de nivel sin una atribución coherente con el terreno, como elevaciones erróneas o valores atípicos (por ejemplo, una cota igual a 0). En caso de detectarse este tipo de inconsistencias, pueden corregirse mediante la interpolación de las curvas de nivel afectadas o, si no representan información real, eliminando dichas curvas para asegurar la precisión del modelo topográfico.
• Durante la asignación de las líneas de muestreo, estas deben se perpendicular al eje del río, así como también las secciones transversales creadas, no pueden cruzarse ya que generaría incompatibilidad en los resultados de la simulación hidráulica. 
• Para la descarga y georreferenciación de la imagen satelital se recomienda utilizar una correspondiente al año en que se realizó la topografía, siendo en este caso el 02.09.2015, ya que pueden existir variaciones en el comportamiento morfodinámico del cauce del río. Esto permitirá evitar incongruencias en la visualización del modelamiento numérico al momento de superponer la imagen satelital.
• Para el modelo bidimensional (2D) en IBER, se recomienda asignar un tiempo determinado para que el caudal de Q = 4,000 m³/s ingrese por la entrada del cauce del río. En este caso, el tiempo considerado fue de 180 segundos.
• Se recomienda que, al momento de crear los usos de suelo, el archivo Excel en formato CSV delimitado por comas se guarde en la misma ubicación que los archivos ASCII y utilizando el mismo nombre.
• Se recomienda que, durante la visualización del postproceso de la simulación hidráulica, se identifiquen las áreas donde no existe inundación. En estas zonas se puede aplicar un refinamiento de malla con tamaños mayores, lo que permite optimizar el ahorro computacional.
• Debido a la peligrosidad identificada como extrema la cual tiene mayor impacto en la zona de estudio, se recomienda implementar un plan integral de gestión de riesgos que se incluya obras de control y protección, manteamiento y limpieza periódica, sistema de alerta temprana y programas de capacitación comunitaria. 

7. REFERENCIAS BIBILIOGRÁFICAS:

• Chow, V. T. (2004). Hidráulica de canales abiertos. Nomos S. A.
• Arcement, G., & Schneider, V. (1989). Guide for selecting Manning's roughness coefficients for natural channels and flood plains. U.S. G.P.O. https://doi.org/10.3133/wsp2339