Análisis de inundación unidimensional y bidimensional del río Piura con HEC-RAS e Iber

Introducción

La ciudad de Piura, ubicada en el noroeste del Perú, es una de las más antiguas del país y un importante centro económico y comercial de la región. Fundada en 1532 por Francisco Pizarro, destaca por su clima cálido y su desarrollo en sectores como la agricultura, la pesca y el comercio (Aranda & López, 2015). Sin embargo, su ubicación geográfica y la influencia del fenómeno de El Niño hacen que Piura sea altamente vulnerable a inundaciones, especialmente por el desborde del río Piura (Instituto Nacional de Defensa Civil [INDECI], 2017).

El río Piura, cuyo cauce atraviesa la ciudad, suele experimentar crecidas significativas durante las temporadas de lluvias intensas, principalmente asociadas a eventos climáticos extremos. En años de El Niño, las precipitaciones se incrementan drásticamente, causando el desborde del río y afectando gravemente la infraestructura urbana, las viviendas y la población (Centro de Estudios y Prevención de Desastres [PREDES], 2020). Históricamente, episodios como los de 1983, 1998 y 2017 han demostrado la magnitud del impacto de estas inundaciones, generando pérdidas humanas y materiales (Molina et al., 2018).

El crecimiento urbano desordenado, la deficiencia en infraestructura de drenaje pluvial y la falta de una adecuada gestión del riesgo agravan aún más la situación, exponiendo a la ciudad a desastres recurrentes (PREDES, 2020). Ante este panorama, es crucial la implementación de medidas de prevención y adaptación que permitan mitigar los efectos de las inundaciones y garantizar la seguridad de la población piurana. 

Antecedentes

Diversas investigaciones han abordado el peligro de inundaciones asociado al río Piura debido a su relevancia geográfica y a su histórica vulnerabilidad ante eventos climáticos extremos. Según estudios realizados por Molina et al. (2018), los fenómenos de El Niño de los años 1983, 1998 y 2017 ocasionaron desbordes catastróficos del río Piura, generando pérdidas económicas multimillonarias y afectando a miles de familias. Estos eventos evidenciaron las debilidades en la infraestructura de contención, como los diques y las defensas ribereñas, así como las fallas en la planificación urbana.

El Instituto Nacional de Defensa Civil (INDECI, 2017) destacó que las áreas más afectadas son aquellas ubicadas en zonas bajas de la cuenca, particularmente en el distrito de Castilla y otros sectores de la ciudad de Piura. Asimismo, un análisis de PREDES (2020) subraya que la deforestación en las partes altas de la cuenca y la ocupación no planificada de áreas inundables han incrementado significativamente la exposición al riesgo.

Además, se han desarrollado modelos hidrológicos para analizar el impacto de futuras crecidas. Por ejemplo, Aranda & López (2015) realizaron una evaluación histórica del régimen hídrico del río Piura y concluyeron que es necesario implementar sistemas integrados de alerta temprana y fortalecer la capacidad de respuesta de las autoridades locales para mitigar el impacto de las inundaciones.

Estas investigaciones coinciden en que la combinación de factores naturales y antrópicos, como el cambio climático y la expansión urbana desordenada, continúan siendo los principales detonantes de los desastres en la región.

Descripción del área de estudio

El área de estudio abarca una zona urbana clave donde el río Piura ingresa a la ciudad, comprendiendo principalmente los distritos de Castilla y Piura. Esta región alberga diversas edificaciones de gran relevancia, como la Universidad Nacional de Piura, una de las principales instituciones académicas de la región, y el Hospital Regional José Cayetano Heredia, que brinda servicios de salud esenciales a la población. Además, se encuentran estructuras destacadas como los puentes Andrés Avelino Cáceres y Eguiguren, que conectan puntos estratégicos de la ciudad, así como el histórico cementerio San Teodoro. A esto se suma una gran cantidad de comercios en sus alrededores, lo que refuerza la importancia económica y social de esta zona céntrica, considerada fundamental para la dinámica urbana de Piura.

Figura 1. Imagen satelital de la zona de estudio.

Fuente: Google Earth Pro

Objetivos del proyecto

• Realizar una simulación hidráulica unidimensional con un caudal de 800 m³/s en HEC-RAS 5.0.7
• Realizar una simulación hidráulica bidimensional con un caudal de 4000 m³/s en Iber 2.5.1
• Calcular el índice de peligrosidad de Hazard Rating con los resultados de calado y velocidad

Procedimiento

A continuación, se incluye un diagrama de flujo en el cual se indica la ruta seguida en el proyecto para la consecución de los resultados en cada programa, y, posteriormente, una descripción de cada paso y geoproceso.

Figura 2. Diagramas de flujo para la consecución de los resultados.

Para obtener los resultados en HEC-RAS se siguieron los siguientes pasos:

Primero, se importó el DEM del terreno en RAS-Mapper. Luego, se insertó la imagen satelital y se definió la geometría, para lo cual se importaron los shapefiles del eje del río, de los bancos y de las líneas de muestreo. En el menú de secciones transversales se definió el coeficiente de Manning para el cauce y las zonas inundables a partir de los bancos, los cuales fueron de 0.040 y 0.10. Con dicha información se ejecutó una primera simulación para un caudal de 800 m3/s, y en los resultados se observó que algunas secciones transversales presentaban un flujo dividido, por lo que se procedió a añadir levees para corregir dichos errores. Una vez hecha la corrección, se ejecutó una segunda simulación, y luego de comprobar que el flujo es correcto en todas las secciones, se extrajeron los resultados de las secciones transversales y del perfil longitudinal. Finalmente, se hicieron algunas modificaciones en la forma como se presentan los resultados.

Figura 3. Carga del DEM a RAS-Mapper.

Figura 4. Importación de la geometría y de la imagen satelital a RAS-Mapper.

Figura 5. Asignación del coeficiente de Manning.

Figura 6. Resultados de los tirantes de la simulación hidráulica en HEC-RAS.

Figura 7. Resultados de la velocidad de la simulación hidráulica en HEC-RAS.

Figura 8. Obtención del perfil longitudinal en HEC-RAS.

Figura 9. Obtención del ráster del calado en HEC-RAS.

Figura 10. Obtención del ráster de velocidades en HEC-RAS.

Luego, para obtener los resultados en Iber se siguieron los siguientes pasos:

Primero, se importó la geometría generada en QGIS al programa, así como la imagen satelital georreferenciada. Luego, se asignó la rugosidad mediante los siguientes números de Manning: para el río, 0.025, y para la zona urbana, 0.15. Se ingresó información sobre el caudal de entrada, el cual fue de 4000 m3/s. Se generó el mallado no estructurado donde al río se le asignó una malla de 5 metros y a la superficie restante 20 metros. Luego, se actualizaron algunos de los números de Manning, para el río el número se actualizó a 0.040, y la pista a 0.018. Se cargó el archivo ASCII de la Rugosidad y se asignaron los números de Manning. Luego, se cargó el archivo de la Topografía, la cual se enlazó con la malla.

Se realizó la simulación hidráulica completa, y se obtuvieron como resultados el Mapa de Calados y el Mapa de Velocidades. Se obtuvieron también el corte de una sección transversal y el perfil longitudinal. Luego, se guardó un video con la simulación de la inundación, mostrando cómo el calado varía en el tiempo. Finalmente, en QGIS, con los rásters de Calado y Velocidad se calculó el ráster del índice de peligrosidad, el cual fue convertido a formato shapefile y se disolvieron sus atributos comunes.

Figura 11. Importación de la geometría a Iber.

Figura 12. Delimitación del uso del suelo en Iber.

Figura 13. Designación del caudal de ingreso en Iber.

Figura 14. Generación del mallado en Iber.

Figura 15. Asignación automática de la rugosidad en Iber.

Figura 16. Importación de la topografía del terreno a la malla en Iber.

Figura 17. Resultados después de la simulación hidráulica en Iber.

Figura 18. Cálculo del Índice de Peligrosidad en QGIS.

Resultados

A continuación, se muestran los resultados obtenidos en HEC-RAS.

Figura 19. Mapa de Calado con un caudal de 800 m3/s en HEC-RAS.

Figura 20. Mapa de Velocidades con un caudal de 800 m3/s en HEC-RAS.

Figura 21. Secciones transversales en HEC-RAS.

Figura 22. Perfil longitudinal en HEC-RAS.

A continuación, se muestran los resultados obtenidos en Iber.

Figura 23. Mapa de Calado con un caudal de 4000 m3/s en Iber.

Figura 24. Mapa de Velocidades con un caudal de 4000 m3/s en Iber.

Figura 25. Sección transversal y cota de agua en Iber.

Figura 26. Mapa de Índice de Peligrosidad de Hazard Rating.

Conclusiones

De la simulación en HEC-RAS para un caudal de 800 m3/s, se observa que el río no se desborda demasiado, solo en la parte inicial del tramo, y en menor medida al medio y al final de este.

De la simulación en Iber para un caudal de 4000 m3/s, se observa que el río se desborda completamente, afectando a la gran mayoría de la zona urbana.

Según el mapa de índice de peligrosidad, la mayor parte de la zona urbana está en riesgo extremo ante el ingreso de un caudal de 4000 m3/s, mientras que ningún área está segura.

Es de suma importancia la construcción de defensas ribereñas en los cauces del río Piura, así como las obras de limpieza del cauce.

Recomendaciones

Para obtener mejores resultados en HEC-RAS, se debe ingresar una topografía detallada, aunque esto haga más pesados los cálculos, así como se puede refinar los valores de rugosidad en la ribera del río y las demás superficies.

Para ejecutar  una mejor simulación en Iber, se puede incrementar la precisión del mallado en las zonas de interés y bajar dicha precisión en zonas que no requieran mucha atención, por otro lado, se deben introducir valores correctos de rugosidad en la superficie, y, por último, se puede reducir el intervalo de resultados, para que estos se den con mayor rapidez.

Referencias bibliográficas

Aranda, F., & López, M. (2015). Historia y geografía del Perú: Una aproximación regional. Editorial Universitaria.

Centro de Estudios y Prevención de Desastres [PREDES]. (2020). Gestión del riesgo de desastres en el Perú: Informe nacional 2019-2020. https://www.predes.org.pe

Instituto Nacional de Defensa Civil [INDECI]. (2017). Reporte de situación: Inundaciones en Piura. INDECI.

Molina, J., Fernández, A., & Rojas, L. (2018). Impacto del fenómeno de El Niño en las ciudades del norte peruano. Revista Peruana de Gestión Ambiental, 4(2), 35-47. https://doi.org/10.1234/rpga.2018.04203