XXV CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA SAN JOSÉ, COSTA RICA, 9 AL 12 DE SETIEMBRE DE 2012

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1 IAHR XXV CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA SAN JOSÉ, COSTA RICA, 9 AL 12 DE SETIEMBRE DE 2012 CIC MAPAS DE RIESGO DE INUNDACIÓN ANTE EVENTOS HIDROLÓGICOS Y ESCENARIOS EXTREMOS EN PRESAS UBICADAS SOBRE EL RIO SAN JUAN RESUMEN Roberto O. del Castillo, Guillermo Gutiérrez Porta, Miriam S. Oropel Universidad Nacional de San Juan, Facultad de Ingeniería, Instituto de Investigaciones Hidráulicas Urquiza 91 (N), Capital, CP 5411, San Juan, república Argentina omardelcast@unsj.edu.ar, gguti@unsj.edu.ar; moropel@unsj.edu.ar Utilizando información cartográfica y relevamientos topográficos suficientes para describir el cauce del Río, las obras singulares que condicionan el flujo, el relieve de las márgenes y la morfología del valle de inundación, se genera un modelo digital de elevación del terreno sobre el que se aplica un modelo numérico hidráulico unidimensional para estudiar la dinámica del escurrimiento de avenidas producidas por eventos hidrológicos extremos y por rotura de presas en cadena, para obtener mapas de riesgo de inundación. Con la metodología descripta se presentan los resultados obtenidos de una de las hipótesis consideradas para flujo permanente y no permanente. ABSTRACT A digital elevation model was generated using cartographic information and topographic surveys that describe stream flow, civil works that affect it, banks river and floodplain morphology. It was applied onedimensional hydraulic model to study the dynamics of flood runoff produced by extreme hydrological events and tandem dam break, to obtain flood risk maps, using digital elevation model. Methodology described presents results obtained from one hypotheses considered for permanent and not permanent flow. PALABRAS CLAVES: Inundación. Hidrología. Presas. Mapas de Inundación.

2 INTRODUCCIÓN La construcción de presas de embalse es prioritaria en zonas áridas como la nuestra a los fines de aumentar la superficie regada y de producción de energía eléctrica. De fundamental importancia es también cuando se ubican grandes núcleos poblacionales aguas debajo de un sistema de embalses, el contar con mapas de riesgo de inundación y de un plan de emergencias ante una contingencia extrema que derivaría de eventos hidrológicos excepcionales combinados a distintos mecanismos de colapso de presas en cadena. Los Valles del Tulum, Ullum y Zonda, ubicados en la provincia de San Juan son abastecidos por las aguas del Rio San Juan, que tiene su nacimiento en las altas cumbres de la Cordillera de los Andes. A medida que el rio desciende hacia la cuenca baja, se sitúan en el mismo una serie de presas en cadena, para luego atravesar grandes urbes pobladas por lo que los valles de inundación se presentan urbanizados en grado creciente, hasta llegar a zonas densamente pobladas. En estos lugares un evento hidrológico extremo podría producir importantes afectaciones materiales e incluso pérdidas de vidas humanas. A raíz de este problemático escenario hídrico, se plantea la configuración de mapas de riesgo de inundación asociados a diferentes escenarios extremos preestablecidos. Para dicha delimitación se ha utilizado la modelación hidrodinámica. En los últimos veinte años se han utilizados modelos para simular el riesgo de inundaciones. Los modelos son útiles para reproducir la realidad a partir de una serie de simplificaciones y permiten resolver situaciones muy complejas. Dicha resolución se realiza a través de medios informáticos y software de simulación con diferentes niveles de análisis resultados. Tal es el caso del HEC-RAS, que es un programa unidimensional, desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros del Departamento de Defensa de los Estados Unidos. El Hydrologic Engineering Center (HEC) en Davis, California desarrolló el Sistema de Análisis de Ríos, River Analysis System (RAS) para ayudar a sus ingenieros hidráulicos en el análisis de flujo en canales y en el control de inundaciones. Con este objetivo se ha utilizado el modelo HEC-RAS para analizar la vulnerabilidad, establecer el riesgo determinando puntos neurálgicos y realizar los planos de inundación frente a diferentes escenarios. DESCRIPCION DE LA ZONA DE ESTUDIO Los valles del Tulum, Ullum y Zonda, ocupan la región Centro Sur de la Provincia de San Juan. Constituyen en conjunto el área de mayor significación agrícola económica y es donde se encuentra la mayor población de la Provincia. Figura 1 Debido principalmente al bajo régimen de lluvias, estas áreas se encuadran como zonas áridas. Las necesidades de consumo de los cultivos son provistos por el agua del río San Juan. La cuenca del río San Juan, Figura 2, se localiza en el sector centro-sudoccidental de la provincia de San Juan traspasando el límite interprovincial y abarcando un pequeño sector del norte de Mendoza. Con una superficie aproximada de km 2 (SSRH 2002), ocupa alrededor del 45 por ciento de la superficie de la provincia de San Juan. El río San Juan es el mayor tributario del río Desaguadero, el que forma parte del Sistema Río Colorado.

3 Figura 1.- Ubicación de la cuenca Figura 2.- Cuenca del Rio La Construcción del Azud José Ignacio de la Roza, de las Presas de embalse Quebrada de Ullúm, con sus obras complementarias Dique Lateral y Dique Soldano, la concreción del aprovechamiento hidroeléctrico Los Caracoles, el inicio de la construcción de la Presa de Punta Negra, todas sobre el cauce del Río San Juan, la ubicación de las Localidades de Ullum y Zonda en la planicie de inundación del Río San Juan y la proximidad de un núcleo urbano mayor a habitantes aguas abajo, en el Valle de Tulúm, nos llevó a realizar un estudio hidráulico hidrodinámico conducente a la materialización de mapas de riesgo de inundación ante distintos escenarios extremos que permitan a la Provincia elaborar posteriormente un plan de emergencia ante la hipótesis mencionada. Figura 3. Figura 3.- Ubicación de las obras principales sobre el rio San Juan El cauce del Río San Juan entre Tambolar y Ullum es el que, hasta ahora, ha concitado las únicas obras de aprovechamiento hidroenergético construidas en la amplia cuenca. Estas constituyen las principales obras a analizar y se detallan a continuación: Presa Los Caracoles La Presa Los Caracoles, Figura 4, consiste en una presa de materiales sueltos, con pantalla impermeable de hormigón en la cara aguas arriba, que genera un embalse de 560 Hm3. Los datos característicos de esta presa son: salto de 138 metros de altura, con una central a pie de presa, caudal de instalación de 90 m 3 /s, potencia instalada de 125 MW, energía media anual de 715 GW. Presa Punta Negra (en ejecución) La Presa Punta Negra se encuentra actualmente en etapa de ejecución y se trata de una Presa de material es sueltos de 100 metros sobre el lecho del río con pantalla impermeable de hormigón en la cara aguas arriba que generará un embalse de 500 Hm 3.

4 Los datos característicos de esta central ubicada a pie de presa son: salto de 110 metros, caudal de instalación de 85m3/s, potencia instalada de 62,2 MW y energía media anual de 296,4 GW. Presa Quebrada de Ullum La Presa está ubicada en la Quebrada de Ullum, Figura 5, cuya cota de coronamiento está a 777 m.s.n.m., y con trescientos metros de longitud y cincuenta y tres metros de alto respecto al lecho del río. El objetivo de la misma es regular los caudales del Río formando originalmente un embalse de 440 Hm 3 para la provisión de agua potable, riego de cultivos y generación de energía. Dique Soldano Esta obra está ubicada en la embocadura de la Quebrada de Zonda, con una cota de coronamiento de 776 m.s.n.m. y altura cercana a los veinticinco metros. El objetivo principal del dique es amortiguar las crecientes pluviales de la Cuenca de los Colorados ubicada al sur del dique. Figura 4.- Presa Los Caracoles Figura 5.- Presa Quebrada de Ullum DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS HIDRÁULICOS A DEFINIR PARA LA ROTURA DE PRESAS Existe una numerosa variedad de ecuaciones estadísticas conocidas como ecuaciones de predicción para el desarrollo de la brecha y para el caudal pico. Estas ecuaciones relacionan variables independientes como la altura de la presa (hd[m]) o características del embalse como profundidad (hw[m]), capacidad de embalse (S[m3] y volumen de almacenamiento (Vw[m3]), con variables de interés como el ancho medio de la brecha (B[m]) y el tiempo de falla (tf[hs]) para el caso de desarrollo de la brecha o con el caudal pico (Qp[m3/s]) y el volumen erosionado del cuerpo de la presa (Vero.[m3]). Figura 6. Figura 6.- Principales parámetros en la formación de la brecha [de Fread (1988)]

5 En la Tabla 1, se presentan los resultados de la aplicación de las ecuaciones de predicción desarrolladas para la determinación de la forma y dimensiones de la brecha, el tiempo de falla y el caudal pico, a partir del análisis estadístico de rotura de presas por distintos grupos de investigación. Tabla 1.- Estimación del ancho medio de la brecha por distintos autores MACDONAL-LANGRIDGE- MONOPOLIS(1984) FROEHLICH(1995b) AUTORES TIEMPO DE FALLA [HS.] VON THUN AND GILLETE(1990) ECUACION LOS CARACOLES PUNTA NEGRA QUEBRADA DE ULLUM tf = *Ver tf = 0.015*hw tf = B / (4*hw) tf = *Vw 0.53 *hb USBR(1988) AUTORES tf = 0.011*B ECUACION LOS CARACOLES PUNTA NEGRA QUEBRADA DE ULLUM ANCHO MEDIO DE LA BRECHA [m] USBR(1988) B = 3*hw VON THUN AND GILLETE(1990) B = 2.5.hw+Cb FROEHLICH(1995b) AUTORES B = *Ko*Vw ECUACION 0.32.hb 0.19, Ko=1.4 LOS CARACOLES 410 PUNTA 367 NEGRA QUEBRADA 313DE ULLUM CAUDAL PICO [m 3 /s] KIRKPATRICK(1977) Qp = 1.268*(hw+0.3) SCS(1981) Qp = 16.6*(hw) HAGEN(1982) Qp = 0.54*(S*hd) RECLAMATION(1982) Qp = 19.1*(hw) SINGH AND SNORRASON(1984) MACDONAL-LANGRIDGE- MONOPOLIS(1984) Qp = 13.4*(hd) Qp = 1.776*(S) Qp = 1.154*(Vw*hw) Qp = 3.85*(Vw*hw) Qp = 1.122*(S) COSTA(1985) Qp = 0.981*(S*hd) Qp = 2.634*(S*hd) EVANS(1986) Qp = 0.72*(Vw) FROEHLICH(1995b) Qp = 0.607*(Vw *hw 1.24 ) BARROS (2002) Qp = *hw DELIMITACIÓN DEL MODELO DIGITAL DE TERRENO Y OBTENCIÓN DE LAS CURVAS DE NIVEL La topografía juega un papel importante en la distribución y flujo del agua, dentro de un ámbito natural. El conocimiento de la forma del terreno y la extracción automatizada de parámetros topográficos desde un MDT (Modelo Digital de Terreno), es reconocido como una alternativa viable frente a las mediciones tradicionales o al uso de cartas analógicas con curvas de nivel, marcando especialmente la posibilidad de poder interactuar desde lo digital, con distintos aspectos de análisis, ya sea en forma métrica o temática.

6 Un Modelo Digital de Terreno, es una representación gráfica de una superficie continua, usualmente referida como una superficie terrestre. Los mapas de pendientes, aspecto de la pendiente, relieve de sombras, vistas perspectivas, modelos de escurrimientos, etc., son algunos de los productos derivados del análisis topográficos a partir de un MDT. Es decir, el MDT es una representación geométrica en 3D del terreno almacenado en formato digital. Las curvas de nivel se utilizan para visualizar el Modelo Digital del Terreno sobre un plano de proyección ortométrica. Metodología de generación del MDT Se determinó en la primera fase de los estudios la zona de trabajo que indica la Figura 7, con una superficie aproximada de has. A través de un MDT, figura 8, con estructura raster (imagen), con una extensión compatible para ser procesada a posteriori mediante el módulo 3D Analista de Arcáis 9.3, se pudo alcanzar luego y en forma definitiva el MDT final en estructura vectorial TIN (Triangular Irregular Network). Finalmente del mencionado MDT se logró generar, curvas de nivel con equidistancias de 5m., 10 m. y 20 m. mediante algoritmos de interpolación. Figura 9. Al efecto de poder apreciar las posibles áreas afectadas y el orden de magnitud de los tirantes líquidos se consideran dos tramos de Río que totalizan 40 Km. de longitud, el primero, desde la Presa de Ullum, hasta la intersección del cauce principal con el Puente de Albardón y el segundo, desde el Puente de Albardón hasta el Puente de Alto de Sierra. La Planta, el perfil longitudinal del terreno y las secciones transversales se obtuvieron del MDT y se ajustaron manualmente con la documentación que se disponía. Figura 7.- Limite de la zona de estudio Figura 8.- MDT de la zona de estudio Figura 9.- Curvas de nivel de la zona de estudio ELABORACIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO En hidráulica, el término modelo corresponde a un sistema que simula un objeto real llamado prototipo, a cual mediante la entrada de cierta información se procesa y se presenta adecuada para emplearse en el diseño y operación de obras de ingeniería civil.

7 Considerando el elevado costo que acarrea la construcción y explotación de un modelo físico, en la actualidad se dispone de nuevas técnicas avanzadas de modelación de fenómenos hidráulicos, a través de software, tal es el caso del modelo numérico HEC-RAS. HEC-RAS es una aplicación gratuita que modela el flujo de agua en ríos y canales. El programa es unidimensional y fue desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros del Departamento de Defensa de los Estados Unidos. El modelo numérico HEC-RAS permite realizar análisis del flujo permanente y no permanente unidimensional gradualmente variado en lámina libre. Por otro lado el HEC-RAS tiene capacidad para interactuar con modelos digitales del terreno (DEM o TIN) mediante entorno GIS. El programa HEC-RAS utiliza la ecuación de energía escrita para cauces, con llanura de inundación a lado y lado de un cauce de aguas altas. La ecuación se escribe así: La resistencia al flujo se evalúa con la expresión de Manning. La fórmula de Manning es una derivación para canales modificada de la ecuación de Darcy-Weissbach para la evaluación de las pérdidas de energía en tuberías. [1] La elaboración de un modelo hidráulico se lleva a cabo a través del ingreso de datos de topografía, datos hidrológicos y condiciones de borde. El trabajo puede ser resumido en las siguientes etapas: Pre-RAS Primer paso en donde han sido cargados los datos a nuestra disposición en el GIS por la individualización de las secciones. El trazado de las secciones se realizó siguiendo estos lineamientos: Se recogió información de puntos singulares como por ejemplo estrechamientos. [2] La separación de las secciones estuvo en función de la uniformidad de la geometría: a más uniformidad más distancia entre secciones. En los sitios donde se preveía una inestabilidad en el flujo (por ejemplo un cambio brusco en el fondo del lecho) se ubicaron secciones con poca separación entre ellas ya que eso influirá positivamente en la estabilidad del modelo. Calculo en Hec-Ras Las secciones individualizadas han sido transferidas, conservando todas las características geométricas, en Hec-Ras. Con la ayuda de tal código de cálculo, han sido determinados los perfiles longitudinales de la superficie libre del curso de agua y por tanto la altura del tirante hídrico por cada sección examinada. Por cada sección el Hec-Ras 4.0 requiere, figura 10: Las coordenadas espaciales respecto a un sistema local de referencia La distancia entre una sección y la siguiente, especificando las distancias entre los márgenes Los valores del coeficiente de resistencia al flujo (coeficiente de Manning) que en nuestro caso, es variable según el tramo analizado

8 Los limites, mas allá de los cuales no queremos que el agua desborde. El caudal utilizado para cada simulación surge de las diferentes Hipótesis de ensayo comprendiendo diferentes tramos: Hipótesis 1: Determinación de la condición de escurrimiento en el cauce del rio San Juan ante el máximo caudal de descarga del aliviadero de la Presa de Ullum. Hipótesis 2: Rotura de la Presa Quebrada de Ullum por causas naturales. Hipótesis 3: Rotura en cadena de las Presas, desde Caracoles hasta la Quebrada de Ullum. Post-RAS Los resultados obtenidos en el Hec-Ras han sido reenviados en el GIS donde desde los nuevos datos a disposición ha sido creada un TIN del área inundada; para obtener un resultado. Individuación áreas de riesgo Finalmente conociendo el nivel del tirante hídrico de cada sección geo referenciada, ha sido posible individualizar las áreas de riesgo de inundación por el caudal de estudio. Figura 10.- Modelo hidraulico de la zona de trabajo RESULTADOS Y DISCUSIÓN Como producto del uso de las metodologías descriptas y al efecto de acotar la extensión de este artículo, en este trabajo se muestran los resultados correspondientes a la Hipótesis 1, para los casos de análisis de flujo permanente y no permanente. A través de la compilación en un sistema de información geográfica se obtuvo el mapa final de la zona que presenta riesgo de inundación. Figura 12.

9 Figura 11.- Sector inundado (Hipotesis 1) Finalmente se exponen los resultados para el análisis del modelo con flujo No permanente obteniendo de esta forma las isócronas correspondientes con resultados cada 30 minutos. Figuras 13 a 18. Figura 13.- Sector Inundado, hora:1 Figura 14.- Sector Inundado, hora: 2 Figura 15.- Sector Inundado, hora: 3

10 Figura 16.- Sector Inundado, hora: 4 Figura 17.- Sector Inundado hora: 9 Figura 18.- Sector Inundado, hora: 12 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Gutiérrez G. y Otros (2011). Mapas de riesgo de inundación en el valle del Tulum. Proyecto de investigación, Código: I 949 UNSJ, San Juan, Argentina. Chow, Ven Te (1959). Open Channel Hydraulics. Mc Graw Hill Civil Engineering Series, New York. United States Army Corps of Engineers USACE (2002). HEC-RAS: River analysis system hydraulic reference manual, Hydrologic Engineering Center. United States Army Corps of Engineers USACE (2002). HEC-GeoRAS: An extension for support of HEC-RAS using ArcView GIS, Hydrologic Engineering Center. Maidment, D., Djokic, D. (2000). Hydrologic and Hydraulic Modeling Support with Geographic Information Systems, ESRI Press. United States Geological Survey Water, Guide for Selecting Manning's Roughness Coefficients for Natural Channels and Flood Plains. Metric Version, supply Paper 2339 Soil Conservation Service - U.S.D.A. (1693) Guide for Selecting Roughness Coefficients n values for Channels, Lincon, Nebraska David J. Hernández, Benjamín P. Pliego, Oswaldo M. Nápoles, David De León Escobedo, José E. Santana, David C. Pérez Flores (2009). Falla de presas de tierra por deslizamiento de taludes y formación de brechas originadas por sismo: un caso en el estado de México. Puebla, Puebla, México