Modelación Númerica Del Río Piura

8/17/2019 Modelación Númerica Del Río Piura

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UNIVERSIDAD DE PIURA FACULTAD DE INGENIERÍA

Programa Académico de Ingeniería Civil

"Modelación numérica del Río Piura utilizando

River 2D, entre los puentes Cáceres e Integración"

Tesis para optar el Título de:

Ingeniero Civil

Germán Alonso Elera Moreno

Asesor Ing. Jorge Reyes Salazar

Piura Abril, 2005


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Prólogo

Con la mejora de los algoritmos computacionales, tanto la ingeniería como el ingeniero los

puede utilizar como una herramienta de gran ayuda para la realización de diversos

cálculos. En los últimos años, el aumento de la velocidad de las computadoras personales

ha hecho que los modelos numéricos sean accesibles a un gran número de usuarios.

La Hidráulica no se ve ajena a este desarrollo científico, y ahora podemos contar con un

software el cual nos apoya para la obtención de parámetros que son importantes a la hora

de diseñar. Por ende, esta tesis pretende dar a conocer la capacidad de este software:

River2D así como la obtención de los parámetros tan importantes en un río como lo son:

velocidad, niveles de agua, tirantes y Número de Froude.

Quiero agradecer a mi asesor el Ing. Jorge Reyes por su empeño en sacar adelante esta

tesis, así como también al Ing. José Vásquez por su apoyo en el manejo del River2D.


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Resumen

En esta tesis se persiguió el objetivo principal que es lograr un mayor conocimiento del

alcance de los modelos numéricos en la aplicación de la Ingeniería Hidráulica

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 fricción del fondo, no de las paredes. Pero en el caso del tramo

urbano del río Piura, los taludes artificiales tienen un talud muy empinado del cual la

topografía no proporciona suficiente detalle. Para ello solo se proporciona la información

de las cotas de fondo.

Los resultados obtenidos son bastante parecidos a los ocurridos durante el fenómeno El

Niño. 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 Ingeniería Hidráulica

y la modelación numérica la hace en forma eficiente y competitiva contra otros métodos,

como los modelos a escala.


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Índice generalÍndice de figurasIntroducción………………………………………………………………1

1. El Fenómeno El Niño (ENSO)1.1 El desarrollo típico del Fenómeno El Niño……………………….6

1.2 Efectos del fenómeno El Niño 1997-1998 en Perú……………….81.2.1 Efectos en la pesquería……………………………………9

1.2.2 Efectos en la agricultura…………………………………..9

1.2.3 Efectos en la calidad de vida de la población……………..9

1.3 Teleconexiones……………………………………………………10

1.4 El Fenómeno La Niña……………………………………………..11

1.5 Sistemas de Observación………………………………………….12

1.5.1 El programa TOGA……………………………………….13

1.5.2 Observaciones del ENSO desde 1997…………………….14

2. El Río Piura2.1

Descripción geográfica……………………………………………17

2.2 La cuenca y el recorrido…………………………………………..19

2.2.1 Nacimiento y Subcuencas………………………………... 19

2.2.2 Recorrido………………………………………………….21

2.2.3 Geología de la cuenca……………………………………..21

2.3 El Tramo Urbano………………………………………….23

2.3.1 Hidrología…………………………………………………26

2.3.1.1 Precipitación………………………………………………26

2.3.1.2 Avenidas…………………………………………………..28

2.3.2 Geología…………………………………………………...34

2.3.3 Erosión y sedimentación…………………………………..36

2.3.4 Protecciones ribereñas existentes………………………….42

2.4 Impactos del Fenómeno El Niño 1997-1998 en el tramo urbano…45

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River2D 3.1

Introducción a la Modelación numérica de profundidad promedio…..55

3.1.1 Apreciación General………………………………………55

3.1.2 Modelos de profundidad promedio………………………..56

3.1.3 Recopilación de datos……………………………………..56

3.2 Principios de la Modelación Hidrodinámica 2D………………….….57

3.2.1 Formulación Física………………………..………………58

3.2.1.1 Conservación de masa…………………………………….58

3.2.1.2

Conservación de Velocidad adquirida…………………….593.2.2 Modelación numérica de profundidad promedio………….62

3.2.2.1

El método de Elementos Finitos…………………………..62

3.2.2.2 Error de Discretización……………………………………64

3.2.2.3

Métodos de solución………………………………………65

3.3 Descripción del modelo……………………………………………66

3.3.1

Generalidades……………………………………………..66

3.3.1.1 Reconocimientos……………………………………….....66

3.3.1.2

Condiciones de uso……………………………………….66

3.3.2

Formulación………………………………………………67


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3.3.2.1

Generalidades…………………………………………………67

3.3.2.2 Modelo hidrodinámico…………………………………..……67

3.3.2.3

Suposiciones Básicas……………………………………..…..68

3.3.3

Aplicaciones del modelo hidrodinámico……………………...68

3.3.3.1

Método de Elementos Finitos………………………………....68

3.3.3.2

Método de Newton-Raphson……………………………….....69

3.3.4 Método de solución de ecuaciones…………………………....703.3.4.1 Solución Directa……………………………………………….70

3.3.4.2 Solución Iterativa……………………………………………...71

4 Modelación Bidimensional4.1 Objetivos de la modelación…………………………………….73

4.2 Tipos de modelos……………………………………………… 73

4.3 Información necesaria………………………………………….76

4.3.1 Información Histórica…………………………………..76

4.3.1.1 Caudales…………………………………………77

4.3.1.2

Niveles de agua…………………………………78

4.3.1.3

Velocidades de agua…………………………….804.3.2 Información levantada en el año 2000………………….81

4.3.2.1 Topografía………………………………………81

4.3.2.2 Hidrología………………………………………82

4.3.2.3 Rugosidad……………………………………….82

4.4 Zona modelada: Puente Cáceres- Futuro Puente Integración….84

4.4.1 Geometría y características del modelo…………………84

4.4.2 Generación de malla…………………………………….85

4.4.3 Procedimiento de cálculo………………………………..86

4.4.4 Simulaciones…………………………………………….88

4.4.5 Condiciones iniciales…………………………………....89

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Cálculos y resultados5.1 Cálculo de velocidades…………………………………………91

5.2 Cálculo de niveles de agua……………………………………..96

5.2.1 Puente Cáceres………………………………………….96

5.2.2 Puente Sánchez Cerro…………………………………..97

5.2.3 Puente Bolognesi………………………………………..99

5.3 Otros cálculos…………………………………………………..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 Número de Froude………………………………...……105

6 Conclusiones y recomendaciones

Bibliografía

Anexos A River_BedAnexos B River_MeshAnexos C River2dAnexos D R2D Tutorial – Transient Modelling


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Introducción

En el primer capítulo damos una completa información acerca del Fenómeno El Niño, sus

efectos en la pesquería, agricultura y en la calidad de vida de la población en el periodo

1997-1998, así como el Fenómeno la Niña, finalizando este capítulo con los Sistemas de

Observación.

En el segundo capítulo, nos enfocamos en el Río Piura caracterizamos la cuenca y su

geología, así como las protecciones ribereñas existentes y los impactos del Fenómeno El

Niño en el tramo urbano en el periodo 1997-1998.

En el tercer capítulo se da una apreciación general sobre el River2D y su introducción a la

modelación numérica de profundad promedio, los principios de la ModelaciónHidrodinámica 2D, su formulación física y los métodos de solución.

Ya con los conocimientos del capítulo anterior, en este cuarto capítulo entendemos sobre la

Modelación Bidimensional y los tipos de modelos que existen. Se describirá la zona a

modelar y la metodología que se empleará para el cálculo.

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 fenómeno El Niño,

obteniéndose resultados satisfactorios.


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CAPITULO 1

El Fenómeno El Niño (ENSO)

En este capítulo se dan a conocer de manera resumida y didáctica la información básicareferida al fenómeno El Niño (Marc Bartels, 2001), donde se tratan puntos como suhistoria, causas mediatas e inmediatas, desarrollo y anomalías en la precipitaron global ysus efectos en el Perú, esto con el fin de entender mejor las marcadas diferencias que

presenta la hidrología del río Piura.

El termino El Niño fue acuñado originalmente por los pescadores a lo largo de las costasde Ecuador y Perú para referirse a una corriente marina cálida que tendía a aparecernormalmente alrededor de la Navidad, de ahí su nombre en referencia al Niño Jesús. Dehecho, cada año, las aguas cálidas de las costas ecuatorianas y colombianas se trasladanhacia las costas de los norteños departamentos de Piura y Lambayeque.

El término de “El Niño” (EN) se empleaba originalmente para describir la llegada local yestacional de agua cálida frente a las costas del centro de Sudamérica y un fenómenoconocido actualmente como la Oscilación Meridional (en inglés Southern Oscillation,

cuyas siglas son SO).La combinación de los dos procesos (EN+SO) produce el ENSO, unfenómeno integrado marítimo y atmosférico que abarca toda la cuenca del Pacífico.

En años del fenómeno moderado, la contracorriente se limita a una estrecha franja deinfluencia. Pero, en intervalos irregulares aumenta su extensión y su intensidad, influyendoen las circulaciones atmosféricas y causando las anomalías del fenómeno ENSO. Losefectos se extienden por toda la zona Pacífico ecuatorial, de Sudamérica y Centroaméricaen el este hacía Indonesia y Australia en el oeste, afectado también regiones muy alejadasmediante la teleconexión.

Fig. 1.1: Circulación de Walker en el Pacífico ecuatorial;a la izquierda: situación normal, a la derecha: situación durante El Niño


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Fig. 1.3: Anomalías de la precipitación global

Para caracterizar el calentamiento anómalo se observan distintas zonas del Pacífico. Hayun índice que describe la diferencia entre la temperatura anómala media y la de la TSM. Elíndice más utilizado es el índice Niño-3, el que describe esta diferencia en la zona centraldel Pacífico, de 5°N hasta 5°S y de 90°O hasta 150°O. La zona del índice Niño-1 seencuentra directamente a lo largo de la costa sudamericana, la del índice Niño-2 entre

América del Sur y 90°O, donde la zona del índice Niño-3 comienza. Al oeste de la LíneaInternacional de cambio de Fecha (LIF) se encuentra la zona del índice Niño-4.Finalmente, directamente frente a Indonesia está la zona del índice Niño-5.

Fig. 1.4: Anomalías de la temperatura superficial del Pacífico ecuatorial


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1.1 El desarrollo típico del Fenómeno El Niño

Actualmente, se sabe que el Fenómeno El Niño (o ENSO) es un evento episódico de escala planetaria que se manifiesta generalmente cada tres a cuatro años, con un impacto muygrande en casi todas las actividades humanas, particularmente en Perú, Ecuador, Chile,Colombia y Bolivia; y tiene muchas repercusiones alrededor del mundo. Generalmente, el

Fenómeno El Niño se inicia en el Pacífico occidental, cerca de Indonesia y Australia. Se pueden diferenciar cuatro fases en un evento clásico:

El preludio comienza 18 meses antes de la cima del evento. Los vientos alisios en elPacífico occidental intensifican, aumenta el nivel del mar y desciende la termoclina en eloeste.

En septiembre y octubre estos vientos empiezan a descender y aparecen las anomalías positivas, donde la temperatura de las aguas superficiales se eleva por encima de lo normal,al menos 2°C y durante eventos fuertes hasta4-5°C. La circulación de Walker se debilita, reforzando las ondas de Kelvin. Esta fase está

denominada como la entrada.

La fase principal comienza entre diciembre y enero, acompañado de anomalías 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 atmósfera se altera la presión atmosférica en zonas muy distintas, bajando en el este y subiendo en el oeste. Losvientos cambian su dirección y su velocidad y se desplazan las zonas de lluvia, como laZCIT (la Zona de Convergencia Intertropical).


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1.2.1 Efectos en la pesquería

Las anomalías afectan las condiciones ambientales para los ecosistemas marinosradicalmente. El fenómeno influye en la salinidad y la temperatura de las aguas a lo largode la costa sudamericana, cambiando el espacio vital de los habitantes del mar.

Desde el fenómeno de los años 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 años, la anchoveta representó el 90 % de la extracción pesquera,exportando un billón de US dólares en alimento de anchoveta. Pero no sólo los pescadoresse ven afectados, las aves marinas de las Galápagos pierden su fuente de alimento y sus poblaciones decrecen.

1.2.2 Efectos en la agricultura

El sector agrícola (algodón, arroz, limón, plátano, maíz, etc.) también anotó pérdidas del

orden de 200 millones de US dólares. Las exportaciones agrícolas cayeron en un 30 % y se perdió 4 % de áreas cultivadas.

Las altas temperaturas y las inundaciones afectaron las semillas y cosechas, provocaron plagas y enfermedades de las plantas, acompañado de una tropicalización de los cosechas.Además, hubo problemas de salud en el ganado. Finalmente, en consecuencia sucedieron problemas sociales, como la migración del campo a la ciudad.

1.2.3 Efectos en la salud de la población

Debido a los cambios climáticos, la destrucción de los servicios de agua y las viviendas,así como a la formación de charcos y lagunas, diversas enfermedades se pudieron extendersobre el Perú en los años 1997-1998. Hubo un incremento de enfermedades infecciosas,como la Cólera (8.000 casos), la Malaria (31.000 casos), el Dengue (400 casos), malesdiarreicos agudos (170.000 casos) y Males respiratorios agudos (240.000 casos).

Además, la destrucción de las carreteras, puentes y edificios durante el fenómeno ENSOagravó la situación del suministro de la población y fomentó la extensión de lasenfermedades.


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1.3 Teleconexiones

Las circulaciones atmosféricas y las corrientes oceánicas son modelos globales y muycaracterísticos, formando las distintas zonas climáticas de la tierra. Durante un fenómenofuerte del ENSO, estos modelos (por ejemplo, las circulaciones de Hadley y Walker) sonafectados y presentan anomalías climáticas en muchas partes del mundo, conocido como

teleconexiones.

Fig. 1.7: Anomalías globales durante el Fenómeno El Niño(arriba: durante el verano del hemisferio norte, abajo: durante el invierno del hemisferionorte)

En la atmósfera tropical, las anomalías de la TSM imponen cambios en el régimen deconvección y en la circulación local de Hadley. La respuesta de la atmósfera extratropical aestos cambios se manifiesta con modificaciones en la TSM de los extratrópicos, en la

hidrología superficial y en la disponibilidad de la humedad. Las anomalías pueden sertransmitidas en la atmósfera o en los océanos, por ejemplo mediante las ondas de Kelvin.

Las anomalías del Fenómeno El Niño afectan directamente la circulación atmosférica de laregión Aleutiana, una zona de baja presión. En consecuencia, la situación de los vientoscambia, provocando un calentamiento del agua en el Golfo de Alaska con unlevantamiento del nivel del mar de 20 cm. Además, el cambio de la dirección de losvientos provoca inundaciones, lluvias tormentosas y una interrupción de las surgencias a lolargo de la costa norteamericana, levantando el nivel del mar (26 cm, cerca de SanFrancisco).


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Pero, los efectos del fenómeno no se limitan solamente al Pacífico, sino son efectosglobales. Durante el fenómeno hay un calentamiento de las temperaturas globales de 0,1 a0,2 grados centígrados, parecido al enfriamiento global después de una erupción volcánica.Los dos factores, el fenómeno El Niño y las erupciones volcánicas, determinan 30 a 50 %de la vacilación de las temperaturas globales.

Al mismo tiempo del ENSO, se puede reconocer un calentamiento de la corriente deBenguela, en el suroeste de África. El "Benguela-Niño" es acompañado del debilitamientode los vientos alisios y sequías extremas en esta zona. En otras partes del mundo, eltraslado de la zona de las lluvias tropicales provoca sequías en Indonesia, Australia, en elnoreste de Brasilia y en los estados centrales de los EE.UU. En contraste, inundacionescausan daños muy graves en Perú, Ecuador, Argentina, Paraguay, en el sur de Brasilia y enlos estados del sur de los EE.UU. Además, ocurre un traslado de la zona de los ciclones ytornados, que tiene por consecuencia tornados fuertes en las islas de Tahití y Hawaii, porejemplo.

Fig. 1.8: Teleconexiones del Fenómeno El Niño

Actualmente, se conoce muy poco sobre los mecanismos de teleconexión. Puede ser quealgunos fenómenos ocurren simplemente por coincidencia, como una causalidad de lanaturaleza. Pero, con los conocimientos avanzados de la interacción atmósfera-océano se pueden reconocer conexiones globales de los fenómenos.

1.4 El Fenómeno La Niña

En la década de los ochenta los oceanógrafos empezaron a utilizar la expresión La Niña para referirse a un período frío en contraposición al período caliente del Fenómeno El Niño. Las investigaciones del fenómeno indican que los índices oceánicos y el IOS son unaoscilación pendular, en la cual se intercambian los eventos fríos con los cálidos. Al parecer, este fenómeno provoca eventos climáticos contrarios a lo experimentado duranteel ENSO.


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Por ejemplo, en algún lugar del Pacífico tropical, en vez de sequía durante El Niño, lloverámás de lo normal durante La Niña. No es completamente claro que los efectos en el climaen otras regiones del planeta sean simétricos durante El Niño y La Niña; y además, nosiempre sigue un evento de La Niña a uno de El Niño, por lo que se habla de la no periodicidad del sistema climático.

El período frío del ENSO se manifiesta en la costa peruana, como masas de agua frías que,al contrario de El Niño, se propagan hacia al oeste. Los vientos alisios se intensifican, provocando un aumento reforzado de la diferencia del nivel del mar entre el Pacíficooriental y occidental y de la pendiente de la temperatura superficial del mar. Además, latermoclina es levantada a lo lado de la costa sudamericana, acompañando de unaintensificación de las surgencias. Se intensifican las aguas frías de la Corriente deHumboldt, con un consiguiente incremento de la productividad marina.

Fig. 1.9: Condiciones durante el Fenómeno La Niñaen el Pacífico tropical

La Niña es menos predecible que El Niño y existen pocos registros de sus efectos. Al fin yal cabo, el fenómeno La Niña y sus consecuencias y procesos no son el asunto de esta tesis,así que no entraré en detalles de este evento.

1.5 Sistemas de observación

Actualmente, organizaciones internacionales y institutos universitarios y nacionales, como por ejemplo la NASA, controlan las circulaciones atmosféricas y marítimas cada hora ycoleccionan los datos por medios muy modernos. Durante el siglo XX aumentó el interésglobal por los cambios del medio ambiente, así que actualmente hay una infraestructuracientífica 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 observaciónsistemática, provocada por el Fenómeno El Niño de los años 1982-1983.

Los primeros inicios en los estudios oceanográficos relacionados con el Fenómeno El Niño

se dieron en la década del setenta y principios del ochenta. Los principales progresos se basaron en las observaciones realizadas por científicos de los Estados Unidos en todo elPacífico tropical, como parte de los EPOCS (Estudios Climáticos en Océano PacíficoEcuatorial) o del NORPAX (Experimento del Pacífico Norte). Además existieron proyectos regionales en la década del setenta, como por ejemplo el ERFEN (EstudioRegional del Fenómeno El Niño) en que participaron los paises de Colombia, Chile,Ecuador y Perú. A partir de los años ochentas, durante un evento del fenómeno muyintenso, se multiplicaron las reuniones científicas internationales para mejorar los sistemasde observación; y así fue fundado el programa TOGA (Tropical Ocean and Global

Atmosphere).

El programa TOGA fue parte de un programa de investigaciones del clima global, elWCRP (World Climate Research Program). Tuvo una duración de 10 años (de 1985 a1994), con el propósito de estudiar el sistema climático planetario y su predecibilidad. Losobjetivos del programa fueron: el mejoramiento de la descripción del océano tropical y dela atmósfera global, el entendimiento de los mecanicos y procesos del fenómeno, posibilitar la predecibilidad del fenómeno en escalas de meses a años y posibilitar pronósticos por medio de la simulación del sistema acoplado océano-atmósfera conmodelos matemáticos.

Las variables más importantes para entender la interacción entre el Pacífico y la atmósferafueron las cinco siguientes: los vientos superficiales, la temperatura superficial media(TSM), la estructura térmica de la parte superior del océano, el nivel del mar y lascorrientes oceánicas. Además, las variaciones de la termoclina estuvieron asociadas a lasvariaciones del nivel del mar.

Las observaciones de la TSM, de la velocidad de las corrientes, de los vientos y de laestructura térmica fueron realizadas con la utilización de boyas a la deriva y fijas; laobservación de la temperatura del mar con batitermógrafos instalados en barcos. Lasinformaciones fueron coleccionadas cada hora y transmitidas al continente a través desatélites. Para obtener los datos meteorológicos como la dirección y amplitud de losvientos en altura, se expandieron una red de perfiladores en las islas del Pacífico,utilizando la técnica de radar.

Estas observaciones in situ fueron completadas por observaciones mediante satélites. Laventaja del empleo de satélites fue la posibilidad de observar el vapor de agua, lasformaciones de nubes, la radiación y la evaporación, al lado de las variables antesmencionadas. Al final, los datos, recogidos mediante técnicas de sensores de microondas,radiómetros de alta resolución y altímetros, necesitaron calibración y validación con lasobservaciones in situ.


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1.5.2 Observaciones del ENSO desde 1997

Las observaciones troposféricas y meteorológicas se realizan permanente desde las décadasde las setenta y ochenta. Los métodos de observación fueron mejorados más y más; yactualmente los científicos tienen medidas de alta tecnología. Existe una red deinformación en la cual participan muchas naciones, como los paises de América del Sur y

Central, los Estados Unidos, los paises del Pacífico occidental y algunos paises de Europa.

La red mundial para observciones troposféricas se compone de radiosondas, satélites, perfiladores de vientos, globos pilotos y radares. Durante el fenómeno ENSO de los años1997-1998, la red fue completada por una red de monitoreo atmosférico en superficie. Seestableció esta red a lo largo del litoral Pacífico de Centroamérica y el noroeste deSudamérica, denominado como PACS-SONET (PACS: el programa Pan AmericanClimate 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 circulación troposférica. Elsistema fue instalado para observaciones de viento en altura, completado de una red de pluviómetros sobre Ecuador y Perú. Los datos de las estaciones superficiales fueroncalibrados con los de los satélites. Además, para derivar relaciones cuantitativas entre lalluvia a la nubosidad sobre la región, también se utilizarón imágenes de satélite.

En 1994 fue creado el comite Consejo Consultivo Científico Tecnológico de Piura(CCCTP) para monitorear informaciones meteorológicas y oceanográficas. Los objetivosdel proyecto fueron: la implementación de estaciones automáticas para el pronóstico de laslluvias y la predicción hidrológica, la implementación de un sistema de vigilancia oceánicay el estudio de las respuestas de las especies marinas.


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Otra parte de las investigaciones fue la observación de los Sistemas Convectivos (SC), lacual aún continúa. Mediante la tecnología de satélites, radares y radiosondas se investiganlas principales características de la circulación y de la estructura vertical de los SC adiferentes niveles de presión. Las imágenes de los satélites son imágenes en el espectrovisible, del infrarrojo y de vapor de agua, investigando la actividad convectiva, laformación 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 morfológica interna de losaglomerados de nubes son de gran importancia para el modelamiento atmosférico. Los SC pueden interaccionar con ondas atmosféricas y pertubar los flujos de vapor de agua delocéano al continente, modificando la circulación a gran escala.


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CAPITULO 2

El Río Piura

Este capítulo se ocupa de las características del río Piura (Marc Bartels, 2001). Describe lasdefiniciones básicas y proporciona una vista general de la geografía, la topografía, lacuenca, el recorrido y la pendiente del río, los caudales históricos y los problemas deerosión y sedimentación. A continuación, se describe el tramo de estudio que es el tramourbano del río, así como la situación actual del cauce, las riberas, los puentes y los sistemasde protección. Finalmente, se muestra la influencia del Fenómeno El Niño de los años1997-1998 sobre el río Piura y los efectos en la ciudad de Piura. Este último servirá comouna introducción al cuarto capítulo que describe el modelo matemático, que se usará paraun futuro diseño de protecciones ribereñas.

2.1 Descripción geográfica

El río Piura y la ciudad de Piura se encuentran en el extremo norte del Perú. Se ubicanunos 1.000 Km. al norte de la capital Lima, muy cerca de la frontera con el Ecuador.

Fig. 2.1: Mapa del Perú


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La ciudad de Piura es la capital del Departamento de Piura, tiene una superficie de 40.580km2, correspondiente al 3,2 % del territorio peruano (1.285.215 km2). Al norte, limita conel Ecuador y el Departamento de Tumbes, al sur con el Departamento de Lambayeque y aleste con el Departamento de Cajamarca. En el oeste, el Departamento de Piura se extiendehacia el Océano Pacífico. El departamento está parcelado en 8 provincias: Talara, Sullana,Paita, Piura, Sechura, Ayabaca, Morropón y Huancabamba. Junto con el Departamento de

Tumbes forma la Región Grau. Las ciudades de Castilla y de Piura forman en conjunto unárea con una población estimada de 300.000 habitantes, separadas por el río Piura.

Fig. 2.2: Plano del Departamento de Piura

La región del Departamento de Piura tiene un carácter típico del nor-oeste del Perú. Es unclima árido con altas temperaturas ambientales, debido a las circulaciones atmosféricas quefueron explicadas en el capítulo I. Existen cuatro zonas climáticas en este departamento: enel norte, frente a la frontera con el Ecuador hay el Clima Selva, permanentemente húmedo.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 deDesierto. Según el sistema de clasificación de Thorntwaite, el clima de la cuenca varíadesde muy seco y cálido en la parte baja hasta seco y semi-cálido en la parte media,

siguiendo con moderadamente húmedo y templado cálido y llegando hasta muy húmedo yfrío moderado en las nacientes.

La temperatura media mínima en la cuenca es del orden de 19°C, oscilando en la zona dela ciudad de Piura entre 18°C y 32°C. La región tiene un carácter tropical, sin cambiosextremos de la temperatura durante el año.


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La vegetación del departamento se divide en dos zonas: el Bosque Seco Ecuatorial, queconstituye la mayor parte (con bosques secos y algarrobales), y el Desierto Costanero a lolargo de la costa piurana (con dunas litorales, lomas, bosques de galería y desiertos).

2.2 La cuenca y el recorrido

La Cuenca del Río Piura que tiene un área total de 10.230 Km2 , se ubica en elDepartamento de Piura en la Región Noroeste del país y abarca parte de los territorios delas Provincias de Piura, Sullana, Morropón, Huancabamba, Ayabaca, Paita y Sechura,cercana a la frontera con el Ecuador y a la línea ecuatorial. Está limitada por los 4°45´ y5°45´ de latitud sur y los 79°30´ y 80°60´ de longitud oeste.

2.2.1 Nacimiento y subcuencas

El río Piura nace como río Chalpa en la Provincia de Huancabamba (distrito de Huarmaca)

a 2,680 msnm, y pasa por las provincias de Huancabamba, Morropon, Piura y Sechura. Ensu recorrido toma los nombres de los ríos Huarmaca y Canchaque, adquiriendo el nombrede río Piura desde su confluencia con el río Bigote.

Los ríos Huarmaca, Bigote, Piscán, Yapatera, San Jorge y La Gallega participan en el redhidrográfica de la cuenca del río Piura, siendo aproximadamente 295 km la longitud delcauce principal del río y 1.010 Km. la longitud total de la red hidrográfica (véase Fig. 2.3).


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V e g a d e L o s C h a r a n e s

SUBCUENCA

V e g a d e l C e r r o C h i q u i t oCATACAOS

R í o S a n

L o r e n z o

Q d

a .

H

u a l t a c a l

Centr o Pobl ado

8 1 ° 0 0 '

5°50'

5°40'

5°20'

A B A Y O B A R

8 0 ° 4 0 '

1000 msnm.

500 msnm.

8 0 ° 2 0 '

BAJO PIURASUBCUENCA

LAUNION

VICE

SECHURA

C A R R E T E R A P A N A M E R I C A N A

GRANDELAG. RAMON

R I O

P I U

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BIGOTE-HUARMACASUBCUENCA

R í o

H u a r m a c a

Q d a.

d e l

S a l

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2000 msnm.

3000 msnm.

8 0 ° 0 0 '

CHULUCANASQ d a . d e l M e d i o

Q d a . d e l a C r i a

5 0 0

5 0 0

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S e c o

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P I U R A

5 0 0

1 0 0 0

1 0 0 0

SALITRAL

Q d a

. d e l

G a r a b

o

R í o B i g

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R í

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S i ngoca te

M a r t í n

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DEL FAIQUE

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L o s

P o t r e

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SANMIGUEL

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1000

50 0

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R í o Pa ta

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0 0 0

2 0 0

0

CANCHAQUE

Q d a.

S a n t a

A n a

HUARMACA

Q d a.

L a z a r i l l o

Q d a. T a b l o r a n

5°40'

5°20'

Q d a .

S o c a r r ó n

5°00'

8 1 ° 0 0 '

4°40'

Q .

d e l

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L u i s e s

C A N A L D E

D E R I V

A C I O N D A N I E L E S

C O B A

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SUBCUENCAMEDIO PIURA

C A N A

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P e r a l

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A P A I T A

PIURA

A S U L L A N A

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H o n d a

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C a r n

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TAMBOGRANDE Q d a .

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Q d a .

C h i c a

8 0 ° 4 0 '

8 0 ° 2 0 '

R í o Y a

m a n g o

CHALACO

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Q d a.

M i r

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TAMBOGRANDESUBCUENCA

Q d a .

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Q d a. D e l a s D a m a s

R í o Y a

p a t e

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BUENOS AIRES

CHULUCANAS

Q d a .

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S e c o

F r a n

c i s c

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Q d a .

S a n

C A N A

L T A M B O G R A N D E

1 0 0 0

P I U R A

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S a n c

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R í o C h a r a n a l

R I O

MATANZA

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R í o P i s c á n

2 0 0 0

Rí o Hual taco

G a l

l e g a s

SANTO DOMINGO

PALTASHACO

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r a l e s

MORROPON

2 0 0 0

5 0 0

R í o S a

n J o

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FRIAS

R í o L a

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3 0 0 0

5 0 0

5 0 0

5 0 0

T E J E D O R E S

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8 0 ° 0 0 '

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P a c h e

Q d a L a C ab r e r í a

Qda Chorro Bl anco

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o S a p c e

2 0 0 0

5°00'

7 9 ° 4 0 ' 4°40'

7 9 ° 2 5 '

Fig. 2.3: La cuenca del río Piura


25/189

21

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

Tabla 2.1 : Subcuencas del Río Piura

Subcuenca Área

[km2]

Longitud

[km]

Perímetro

[km]Bigote-Huarmaca 1.934,98 69,72 222,36

Chulucanas 2.796,14 54,60 256,79Tambogrande 1.442,79 37,50 204,64Medio Piura 1.615,47 82,10 183,68Bajo 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 río llega al nor-oeste hasta

Tambogrande sobre los nombres río Chalpa, río Huarmaca y finalmente río Piura,representando un tramo de 125 Km. de longitud (tramo 1). Desde Tambogrande el ríoavanza aproximadamente 25 Km. (tramo 2). El último tramo llega su desembocadura en laLaguna Ramón, con la dirección sur-oeste y una longitud de cerca de 145 km (tramo 3).

El relieve es de forma irregular y heterogéneo, varía desde típicas llanuras hasta laderasabruptas en las partes montañosas. La parte media se caracteriza por quebradas y vallessecos con laderas de pendiente media. La parte baja es una zona verde dedicada a la producción agrícola, interrumpida de áreas desérticas, como el desierto de Sechura. La pendiente longitudinal promedio varía entre 15 % en las regiones montañosas y 0,037 % ensus últimos 145 Km. en la zona aguas abajo de la ciudad de Piura. En total, la pendiente

promedio del río es de 8,7 %.2.2.3 Geología de la cuenca

La cuenca del Río Piura tiene un vasto territorio que se presenta con una amplia variedadde rocas y agregados de edad comprendida entre el Pre-Cambriano y el Cuaternario.

Las rocas más antiguas constituyen el Zócalo Pre-Cambriano y el Paleozoico Inferior. Lasrocas de edad Mesozoica se exponen en el sector sur y noroeste de la cuenca y son denaturaleza sedimentaria, volcánicas y volcánico-sedimentarias depositadas. Los sectoresnor-oriental y sur-occidental son conformados a finales del Cretáceo, cuando se desarrollógran parte de las cuencas volcánicas cenozoicas.

La cuenca del río Piura corresponde geomorfológicamente a la denominada Cuenca Para-andina, limitada al este por las estribaciones de la Cordillera Occidental y hacia el oeste por la línea del Litoral, caracterizada por una topografía suave.

Geológicamente las unidades litológicas expuestas son muy variadas desde el Basamentometamórfico, compuestos por los tipos detallados en la tabla siguiente:


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23

Fig. 2.4b: Mapa litológico de la cuenca del río Piura

El tramo inferior de la cuenca está caracterizado por rocas de edad terciaria, representadas por la Formación Zapallal, Miramar y Depósitos Pleistocénicos de naturaleza bioclástica.Las rocas de edad Precambriana, Paleozoica y Cretácica son de tipo Granito Paltashaco,Tonalitas Altamisa y de Pamparumbe y Granitoides indiferenciados, los mismos quecubren una vasta extensión de la cuenca.

2.3 El tramo urbano

El área del estudio es el tramo urbano del río Piura, este tramo ha sido dividido en cincotramos bien definidos.

El tramo inicial es la zona aguas arriba de la presa Los Ejidos, representando la cuencamedia y alta del río Piura.Los tramos A y B abarcan el río Piura en su paso por la ciudad: el tramo A describe la zonaentre la presa Los Ejidos y el puente Cáceres; tiene una longitud aproximada de 3 Km., conuna pendiente longitudinal promedio del fondo del cauce de 0,035 % (cota 22,50 LosEjidos y 21,50 puente Cáceres). El ancho del cauce principal varía entre 200 m al inicio deltramo, 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, reduciéndose a 180 m en la progresiva2+000; finalmente el ancho del cauce baja a 130 – 140 m en la zona aguas arriba del puente Cáceres, como consecuencia de la construcción del puente.


28/189

24

El lado izquierdo del tramo inicial tiene una longitud aproximada de 600 m y niveles deribera entre 32 y 36 msnm. Aguas abajo de esta zona, el terreno es más bajo, generalmenteentre 28,5 y 30 msnm, expuesto a inundación durante avenidas. Las pendientes laterales dela ribera derecha del tramo A son más bajas que las de la ribera del lado izquierdo ydestacan dos zonas de inundación, la primera entre 22 y 28 msnm y la otra entre 28 y 30msnm.

El tramo B (el tramo en estudio) se encuentra entre el puente Cáceres y el proyectado puente Integración, con una longitud total de 2,5 Km., partido en cinco sectores (puenteCáceres – puente Intendencia, puente Intendencia – puente Sánchez Cerro, puente SánchezCerro – puente San Miguel, puente San Miguel – puente Bolognesi, puente Bolognesi –futuro puente Integración). Tiene una pendiente de 0,030 % y el ancho del cauce se reducea 80 – 120 m.

Existen zonas de protección en el tramo B, correspondiendo a los sectores I, II (márgenesderechas), III y IV (ambas márgenes); así que las zonas sin protección son los sectores I, II(márgenes izquierdas) y V (ambas márgenes). Las defensas construidas constan de un

terraplén de relleno, protegido mediante tablestacas y tensores, para control de la erosióndel lecho, y un revestimiento del talud del relleno, para evitar la erosión lateral y sudestrucción.

El área aguas abajo del proyectado puente Integración hasta el puente Grau estádenominada como tramo C. Finalmente, el tramo D abarca el río Piura aguas abajo del puente Grau hasta su desembocadura en la Laguna Ramón.


29/189

25

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


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26

2.3.1 Hidrología

El objetivo del estudio hidrológico Estudio para el Tratamiento Integral del Río Piura fuela determinación de las avenidas características que pueden ocurrir en el río Piura a su paso por la ciudad de Piura, como consecuencia de las lluvias que se producen en la parte de lacuenca aguas arriba de la zona urbana, teniendo en cuenta que durante los impactos del

Fenómeno El Niño 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 régimen hidráulico del río Piura se puede dividir en dos temporadas, correspondiente ala distribución de las precipitaciones en la zona de la cuenca; un periodo de avenidas desdefebrero 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 más

altos en marzo y abril. Durante los otros meses del año, prácticamente no hay precipitaciones en la cuenca baja. La cuenca alta está caracterizada por precipitacionesdurante todo el año, pero también con los valores más altos entre enero y mayo. La zona delas precipitaciones más altas se encuentra entre 1.700 y 2.900 msnm, no válido durante laocurrencia del fenómeno El Niño, cuando las condiciones y las precipitaciones sontotalmente diferentes. Por ejemplo, las precipitaciones acumuladas durante el fenómeno El Niño de los años 1997-1998 fueron extremadamente intensas en la cuenca media del ríoPiura, provocando caudales muy altos, especialmente en la zona urbana de la ciudad dePiura.

Tabla 2.3: Precipitaciones acumuladas de la cuenca del río Piuraentre diciembre de 1997 y mayo de 1998

Estación Precipitaciones [mm]Miraflores 2.031,4Mallares 1,765,2

Chulucanas 3.410,1Tambogrande 3.949,6

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

Sechura 1.040,2


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27

El análisis de las inundaciones indica que el centro de las lluvias está situado generalmenteentre Chulucanas y Morropón, extendiéndose hacia las pendientes occidentales de lacordillera. En casi todos los eventos El Niño, el área de mayor intensidad de lluvias se sitúaa lo largo de una línea de inestabilidad que se desarrolla entre el valle del Alto Piura y el deSan Lorenzo (Figura 2.6), producto de la fuerte actividad convectiva que se ve reforzada por la intensificación del sistema de circulación 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 típico, de un eje de crecimiento de un complejo convectivo,corresponde a un evento de tormenta que se ha originado a partir de varias células

convectivas dispersas y locales que se generan en la plataforma costera de Piura.


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28

Según los estudios, se toma la estación Miraflores en la ciudad de Piura como la estaciónclave de las precipitaciones de la cuenca. El análisis estadístico (distribución Log-Normalcon 3 parámetros) llega a los valores siguientes para el período de retorno de las precipitaciones (Pmax24h):

Tabla. 2.4: Períodos de retorno de las precipitaciones(distribución Log-Normal con 3 parámetros, estación Miraflores)

Período de retorno[años]

Pmax24h [mm]

10 6225 10650 147100 196200 230

500 275

2.3.1.2 Avenidas

En el recorrido existen varias estaciones hidrológicas para la medición de las precipitaciones y los caudales. Las estaciones más importantes de la cuenca son las deChulucanas (puente Ñácara), Tambogrande y Piura (puente Sánchez Cerro). Según losregistros desde el año 1926, el régimen de flujo del río Piura es muy irregular y dependedirectamente de la ocurrencia del fenómeno El Niño y las precipitaciones. En la estaciónhidrológica del puente Sánchez Cerro, los caudales del río varían entre 0 m3/s y más que

4.000 m

3

/s, como resultado del fenómeno (4.424 m

3

/s en el año 1998, véase Fig. 2.7 ytabla 2.6).

Fig. 2.7: Hidrograma de la máxima avenida registrada en la Presa de Los Ejidos,en el mes de marzo de 1998, entre los días 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)

C a u d a l ( m 3 / s )


33/189

29

En el año 1998 la duración del período de la crecida estuvo comprendida de Enero a Mayode 1998. Los valores de la descarga máxima media diaria (Qmaxmd) y de la descargamáxima instantánea diaria (Qmaxid) registrados para la estación hidrométrica Los Ejidos,están en la tabla 2.5 que a continuación mostramos.

Tabla 2.5 Valores de la descarga máxima media diaria y de la descarga máximainstantánea diaria

Fecha Qmaxmd (m3/s) Qmaxid (m3/s)

12.03.98 3256 4424

01.04.98 3367 3816

Fuente: Proyecto especial Hidroenergético Alto Piura


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30

Tabla 2.6: Caudales máximos instantáneos anuales del río Piura, estación Sánchez Cerro,23,3 m.s.n.m (marcado los caudales > 2000 m3/s y caudales = 0 m3/s)

año Q [m3 /s] año Q [m3 /s] año 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 8451940 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

Después del fenómeno del año 1983, se han realizado varios estudios hidrológicos quegeneralmente han concluido que este evento alcanzó una magnitud casi imposible derepetirse. El caudal de esta avenida (3.200 m3/s) se adoptó como caudal de diseño para lareconstrucción y rehabilitación de la represa Los Ejidos y las protecciones ribereñas. Pero,en los años de 1997-1998, estas conclusiones quedaron obsoletas, con caudales durante elevento del fenómeno de 4.424 m3/s.


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31

El rango usual de periodos de retorno de las avenidas, considerado para este tipo de ríos yde protección ribereña, es el intervalo entre 5 y 150 años. Dado que la inversión económicaen protección ribereña podría sobrepasar largamente los daños eventuales que pudieranocurrir en la cuenca, se puede concluir que no es recomendable aplicar avenidas de diseñocon una probabilidad de ocurrencia mayor de 100 años. Se concluye que el período deretorno recomendable está entre 20 y 100 años, así que se decide realizar los estudios para

avenidas con 25, 50 y 100 años de período de retorno. Con estos resultados, también sedefinen los parámetros del modelo matemático.

Tabla. 2.7: Avenidas máximas para los diferentes períodos de retorno(estación de Piura – puente Sánchez Cerro)

Período de retorno[años]

Probabilidad de ocurrencia[%]

Qmax [m3 /s]

25 4 2.90650 2 3.773100 1 4.546

Hidrogramas Sintéticos

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 sintéticos para períodos de retornode 10, 25, 50 y 100 años


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32

2.3.1.3 Niveles de agua - Velocidad

En la tabla siguiente se muestran las mediciones de los caudales y los niveles típicosrealizados en los puentes Sánchez Cerro, Cáceres y Bolognesi durante el fenómeno El Niño 1997-1998.

Tabla. 2.8: Caudales máximos durante el fenómeno El Niño 1997-1998(puentes Sánchez Cerro, Cáceres y Bolognesi, Piura)

Fecha Caudal[m3 /s]

Nivel[msnm]

Ancho[m]

Tirante[m]

Velocidad[m/s]

Puente Sánchez Cerro12.03.98 4.424 29,818.03.98 1.144 24,7 86 5,9 2,323.03.98 2.274 25,9 109 5,4 3,9

25.03.98 1.174 24,7 85 5,0 2,831.03.98 2.350 26,2 104 5,9 3,801.04.98 3.727 27,4 107 7,2 4,902.04.98 2.352 26,0 105 5,2 4,3

Puente Cáceres12.03.98 4.424 30,517.03.98 2.491 27,7 138 8,5 2,123.03.98 2.219 26,7 140 6,9 2,325.03.98 1.324 25,0 121 5,1 2,131.03.98 2.289 27,1 135 6,8 2,501.04.98 3.650 28,6 140 8,3 3,1

02.04.98 2.352 26,7 131 6,7 2,7Puente Bolognesi

22.12.97 308 24,7 90 3,3 1,031.12.97 510 25,4 102 3,3 1,509.01.98 1235 26,8 129 3,8 2,518.02.98 424 24,7 105 4,1 1,011.03.98 1750 27,3 126 5,2 2,712.03.98 4424 27,8

Se puede observar que el máximo nivel de agua registrado en el puente Sánchez Cerro

(cota 29,8 msnm) corresponde a un caudal de 1670 m3

/s a fines de enero de 1983. Cuandose presentó la avenida máxima de ese año (3200 m3/s), el nivel de agua fue 0,90 m menorque el valor antes mencionado. El caudal se duplicó, sin embargo el nivel de aguadisminuyó en lugar de aumentar. Esta diferencia sólo es explicable por la erosión que se produce al fondo del cauce (véase cap. 2.3.4). Además, también en 1998 cuando se presentó una avenida de 4424 m3/s, el nivel de agua fue 0,9 m menor que el máximo nivelregistrado en 1983.


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33

El punto más vulnerable de todo el tramo urbano es el puente Cáceres, donde el nivel deagua corresponde a la cota 30,50 m.s.n.m. Considerando que los máximos niveles de aguadel año 1983 fueron casi un metro mayores que los de 1998, esto indicaría que ya se han presentado en oportunidades anteriores niveles de agua mayores de 30,50 m.s.n.m en lasección donde se ubica el puente Cáceres.

Para calibrar o verificar un modelo, se busca reproducir la curva niveles de aguaobservados – caudal registrado en el prototipo para un determinado caudal, siendo lavariable de calibración normalmente la rugosidad. Sin embargo, para el río Piura este procedimiento resultaría poco práctico, pues no existe una relación nivel de agua – caudaldefinida, debido a los efectos de erosión. Así que se han buscado relaciones independientesde la erosión para la calibración del modelo, como la relación entre la velocidad y loscaudales.

.

Velocidades medias en los puentes v s. 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)

V E L O C I D A D

M E D I A ( m / s )

Cáceres S. CerroBolognesi

Fig. 2.9: Relación velocidad – caudal en el tramo urbano(puentes Cáceres, Bolognesi y Sánchez Cerro)

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


38/189

34

2.3.1.4 Rugosidad

Es común afirmar que la mayor incertidumbre en la modelación hidráulica es la precisiónde los valores de rugosidad del cauce. Normalmente, este parámetro se usa como el parámetro de calibración de los modelos para explicar los distintos niveles de agua condiferentes caudales. Sin embargo, este parámetro no sirve para la modelación del río Piura.

En este caso la mayor incertidumbre en los niveles de agua viene dada por la erosión. Noobstante, se adoptaron los valores característicos del coeficiente de rugosidad de Manningcomo se puede ver en la tabla 2.9. El cauce del tramo urbano está en su mayor parteencauzado y rectificado, con una arena uniforme y poca vegetación, facilitando laestimación de los coeficientes de rugosidad, teniendo un valor promedio de 0,030.

Tabla 2.9: Coeficientes característicos de rugosidad de Manning

Descripción n de ManningLlanura de inundación 0,030 a 0,040

Cauce principal 0,015 a 0,030Talud de concreto 0,014 a 0,022

2.3.2 Geología

El tramo entre la presa Los Ejidos y el futuro puente Integración, está caracterizado por unafloramiento de un substrato posible Formación Zapallal, que constituye el basamentorocoso del cauce. En las calicatas que se ejecutaron para el Estudio para el TratamientoIntegral del Río Piura se han confirmado la presencia de limos ligeramente calcáreos, pococohesivos. Las rocas de este tipo se encuentran meteorizadas con pronunciadasmanifestaciones de oxidación, lo que determina un grado de alteración que permite nivelesde erosión local en las riberas y erosión diferencial en el fondo del cauce.

Además, se ubican depósitos de inconsolidados (eólicos, fluviales, aluviales) depositadosen el período cuaternario y reciente, que se encuentran cubriendo la parte superficial deltramo II en sus márgenes izquierda y derecha. La mayor parte de los materialesinconsolidados existentes son las arenas arcillosas, arcillas y escombros. Los ríossecundarios y quebradas que aportan una gran cantidad de sedimentos a la parte baja de lacuenca, son los ríos 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 Cáceres, el basamento rocoso es aflorante y en

las zonas de llanura de inundación se le ubica a la profundidad de 5,50 m a 6,80 m yllegando de 1,50 m a 0,50 m en los lugares más superficiales.

La profundidad del basamento rocoso en el tramo B, entre los puentes Cáceres eIntegración, se describe en la tabla siguiente:


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35

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

Estación Profundidad del basamento rocosoMargen izquierda Cauce Margen derecha

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

Pte. Sánchez Cerro 3,50 m 1,50 m 2,00 mPte. 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 mPte. Bolognesi –Pte. Integración

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

Fig. 2.10: Perfil estratigráfico del tramo B

Según las investigaciones, las propiedades de los principales materiales de los tramos A yB presentan valores como les mostrados en la tabla 2.11.


40/189

36

Tabla 2.11: Propiedades de los principales materiales del tramo B

Propiedades Tramo BPeso específico 2,55 a 2,82

Peso volumétrico 1,56 a 2,02 gr/cm3 Angulo de rozamiento

interno29° a 36°

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

Compresión Inconfinada1,10 a 22,97 kg/cm2

Límites de AtterbergLL = 31,00 a 80,00LP = 13,00 a 34,17IP = 10,00 a 55,00

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

2.3.3 Erosión y sedimentación

Dentro de la ciudad, el río Piura tiene una reducida capacidad hidráulica, esto debido a queel ancho del río se reduce a menos que 100 m, en comparación con más que 1.000 m en lazona fuera de la ciudad. Esta capacidad depende directamente del proceso de erosión ysedimentación; así que la capacidad hidráulica máxima se puede obtener solamentecombinada con la erosión máxima del fondo del cauce.

Debido a las construcciones de protección y las edificaciones a lo largo de la ribera urbana,el río no puede cambiar su ancho significativamente. El gran cambio del ancho, entre lazona aguas arriba y aguas abajo del tramo urbano y su paso por la ciudad, provoca

velocidades muy altas y erosión. Comparando los datos de las investigaciones anterioressobre el terreno y el cauce principal con la situación actual, se puede constatar que enalgunas zonas los niveles del fondo han bajado hasta 2 m por debajo de los nivelesiniciales. En ambas márgenes se observa erosión, con la mayor erosión en la margenizquierda, donde la cota de fondo promedio es 15,20 m.s.n.m; la de la margen derecha es20,00 m.s.n.m.

Gracias a estas erosiones, el río no se desbordó inundando la ciudad durante la ocurrenciade las avenidas del año 1998, aunque los caudales máximos han sobrepasado el caudal dediseño y la capacidad técnica de la defensa urbana contra inundaciones. En el año 1998, loscaudales tuvieron un crecimiento paulatino desde 1485 m3/s del 9 de enero hasta 4424 m3/sdel 12 de marzo, provocando también un aumento de la capacidad hidráulica del cauce del

río en el tramo urbano por erosión. Investigando la erosión del río, se puede analizar dos parámetros diferentes: la erosión general del cauce en la zona urbana y la erosión local a lolargo del tramo urbano, especialmente cerca a los puentes. Debido a las erosiones locales,se han detectado zonas de erosión alta de varios metros de profundidad, que han puesto en peligro la seguridad de los puentes y provocaron la caída de dos puentes durante lasavenidas del año 1998.


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Aguas abajo del tramo urbano, las velocidades y fuerzas hidráulicas bajan y se establecencondiciones para la sedimentación. En el año 1998, el cauce se ha levantado en esta zona por los materiales básicamente del tramo urbano. En la zona del dique Chato se ha formadoun fondo de cauce nuevo, con niveles mucho más altos que antes 1998. Después de lasavenidas de este año, la capacidad hidráulica bajó a solamente 10 m3/s, desbordando losdiques en la zona. Por esto, fue necesario excavar el material sedimentado, aumentado la

capacidad hidráulica para las avenidas de los años siguientes.

En el tramo urbano, el río Piura tiene las características principales de un río aluvial. Setrata de un lecho constituido por partículas sueltas y de diferentes tamaños, resultado de laerosión en la cuenca. Según la terminología internacional, se pueden clasificar las partículas del río Piura como se muestra en la tabla 2.12.

Tabla 2.12: Terminología internacional del tamaño de la partícula

Tamaño DenominaciónD < 0,004 mm arcilla

0,004 mm < D < 0,062 mm limo0,062 mm < D < 2,0 mm arena2,0 mm < D < 6,4 cm grava6,4 cm < D < 25,6 cm cantos

25,6 cm < D bolos

El parámetro que influye de manera significativa en el proceso de erosión y sedimentación,es el tamaño de la partícula y la representación del volumen. El lecho del tramo urbano delrío Piura es principalmente de limo y arena, con tamaños de 0,004 mm hasta 2,0 mm. El peso del material sólido es del orden S = 2,60 t/m

3, como el peso específico similares aotros de este tipo. Aparte del material suelto, el río está caracterizado por material rocoso,

denominado como Zapallal, así 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 partículas,denominado como la condición crítica del movimiento de fondo, es uno de los problemasmás complicados del análisis sedimentológico en un río. Aparte del número de parámetrosque lo influyen y las condiciones específicos para cada río, existe un consenso general que para este tipo de estudios se pueden usar los resultados de Shields.

La acción de agua sobre el fondo puede caracterizarse por una tensión cortante en el fondo

(con D = tamaño de las partículas; S = peso específico):

= 0 / [(S - ) D]…..2.1

compara como cociente la fuerza promotora del movimiento (acción de arrastre proporcional a 0 D

2) con la fuerza estabilizadora (peso proporcional a ( S - )D3 ). La

tensión de fondo vale (con R: radio hidráulico; I : pendiente motriz):

0 = RI …… 2.2


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

0 = 2 V*2 ó V* = (0 /

2)1/2 ……2.3

Para llegar al movimiento, la tensión adimensional debe alcanzar un valor límite de principio de movimiento. Este principio de movimiento depende del tamaño de la partícula, como se necesita una tensión mayor cuanto mayor es el tamaño de la partícula.Otro parámetro que influye en este fenómeno es el grado de turbulencia, definido comonúmero de Reynolds (Re*, donde es viscosidad):

Re* = (V* D) / ………2.4

A mayor Re* el movimiento es más turbulento alrededor de la partícula. Cuando Re* > 70,el movimiento se llama turbulento rugoso, ya que la altura del grano D es mayor que lasubcapa límite laminar. En el movimiento turbulento rugoso, la tensión necesaria parainiciar el movimiento o tensión crítica ya no depende del número de Reynolds. En estecaso es:

0 / [(S - ) D] = 0,056…………2.5

El número de Reynolds para el cauce principal es más de 70 y se trata de un flujoturbulento rugoso, especialmente durante el período de avenidas; así que se puedeestablecer el límite de movimientos como:

0 = 0,056 (S - ) D = RI = hI…..2.6

En este caso como un canal ancho, el radio hidráulico y el tirante coinciden prácticamente(R = h). Así se puede determinar el tirante mínimo necesario para iniciar el movimiento dellecho, con el D50 = 0,3 mm como diámetro característico:

hI = 0,056 (S - ) D50........... 2.7h = 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 más aun durante avenidas, todo elmaterial del fondo se encuentra en movimiento. Además, se podría suponer que una altafracción del material entra en suspensión dentro del seno del fluido en movimiento. Untirante de solamente unos cuantos centímetros es capaz de poner en movimiento el materialdel fondo.


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2.3.3.2 Transporte de sedimentos

El modo de transporte más importante en el cauce principal del río Piura es el transporte por suspensión, sostenido por la turbulencia del flujo. Una partícula inicialmente en reposo puede ser transportada a saltos por el fondo cuando supera el límite de movimiento. Luego,con el río creciendo, puede ser transportada por suspensión. Cuanto hay un aumento de la

fuerza y la velocidad del río, mayor es el tamaño del material del fondo que es puesto ensuspensión.

En el tramo urbano del río Piura, el material suspendido representa normalmente hasta90 %, que tiene gran repercusión en la formación del cauce, especialmente aguas abajo dela zona urbana. Junto con este modo de transporte, hay un transporte de fondo que tambiéninfluye la morfología del río, formando meandros.

Durante los períodos de lluvia, especialmente durante la ocurrencia del fenómeno El Niño,el origen del material transportado puede ser del cauce o de la cuenca hidrográfica del río.A largo plazo, el material del cauce del río Piura tiene también su origen en la cuenca,

transportando por suspensión. Usualmente se asume que el tamaño de la partículaD = 0,065 mm separa el material de origen del cauce y de cuenca, en sentido que elmaterial 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 estáinfluido por el equilibrio del transporte de sedimentos, que ocurre cuando el río no sufremodificaciones en su cota. Este equilibrio está definido por los parámetros como caudallíquido y sólido, la pendiente del río y el tamaño de sedimento. En el caso del río Piura,estos parámetros tienen una variación importante en el espacio y el tiempo. Los caudalesvarían entre unos m3/s y unos miles de m3/s. Es obvio que durante períodos de avenida, elrío no tiene un equilibrio, así que se producen erosiones graves en el tramo urbano.

Después de las avenidas, la situación es diferente; en las zonas de erosión anterior ocurre lasedimentación. Por razones de la morfología y las condiciones hidráulicas, el proceso deerosión es mucho más pronunciado en los tramos A y B que en los tramos C y D, que es lazona de sedimentación muy pronunciada con una pendiente más reducida. La ocurrenciade lluvias intensas en la parte alta de la cuenca provoca la erosión de material más grueso,que una vez transportado en la cuenca media y baja, genera esta sedimentación en la zonaaguas abajo del tramo urbano.

Como se menciona anteriormente, se puede distinguir dos tipos de erosión: la erosióngeneral del fondo, que se puede explicar por la acción de un flujo de agua caracterizado por una velocidad media; y la erosión local, caracterizada por una pequeña extensión y la

acción de un flujo más complejo, que tiene una fuerte turbulencia y desarrolla vórtices.

Las erosiones más importantes del río Piura son la erosión lateral, que es una erosión deorillas en tramos curvos, y la erosión en zonas de las estructuras, como pilares de los puentes. En el tramo urbano se puede observar ambos tipos de erosión.


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Por un lado, la erosión general es más pronunciada en el tramo urbano que en los tramos Cy D; por otro lado, este tramo tiene curvas que provocan erosión lateral (erosión local).Además, otras zonas de erosión local son las zonas de los pilares de los puentes, comoconsecuencia de la distribución no uniforme de velocidades. Por ejemplo, cerca del puenteCáceres se puede observar erosión en los pilares muy profunda, hasta más de 10 m ymucho más que la erosión general durante el mismo tiempo.

También se puede distinguir una erosión transitoria y una permanente, tomando en cuentala clasificación temporal de la erosión. La forma transitoria es el descenso del fondo de uncauce aluvial durante períodos de avenida. Cuando decrece la avenida de nuevo, lasuperficie libre baja y el fondo asciende rellenando el espacio erosionado de formatransitoria. Después de una avenida, la cota del fondo es la misma que antes, sin embargoesto no dice nada sobre el estado durante la avenida. La erosión transitoria puede provocardaños y colapso total de las estructuras en las riberas, como las estructuras de protección; ode las estructuras en el río, como los pilares de los puentes.


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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

MAL EC O N

VIVIENDA

MURETE

area=289.5418

120.00

PROGRESIVA 4 + 194

100.0080.0040.00 60.00 160.0140.00

38.00

EJE IZQUIERDO

34.00

32.00

36.00

LEYENDA :

AÑO 2000

AÑO 1981

AGUAS ARRIBADEL PTE . SÁNCHEZ CERRO

INMEDIATAMENTE AGUAS ARRIBADEL PTE. SÁNCHEZ CERRO

AGUAS ABAJO DEL PTE. SÁNCHEZ 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

AÑO 2000

LEYENDA :

AÑO 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 ABAJODEL PTE. CÁCERES

AGUAS ABAJODEL PTE. INTENDENCIA

AGUAS ABAJO DEL PTE. CÁCERES

Fig. 2.11: Comparación de la erosión general en eltramo urbano del Río Piura entre 1998 y 2000


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2.3.4 Protecciones ribereñas existentes

El tramo del río Piura, desde la presa Los Ejidos hasta su desembocadura en la LagunaRamón, se puede dividir en tres partes de sistema de protección.

El tramo entre la presa Los Ejidos y el futuro puente Integración tiene medidas de

protección contra inundaciones como diques, que protegen las partes de Piura y Castilla.

Las construcciones de protección comenzaron generalmente en el año 1983. Antes de esteaño, la ciudad tenía diques provisionales que fueron diseñados para avenidas con el período de retorno de no más de cinco años, con una altura de apenas dos metros. Así quelas avenidas de los años 1965 y 1972 afectaron la ciudad, inundándola gravemente. Poresta razón, en 1976 comenzaron estudios e investigaciones sobre la protección ribereña.

El sistema de protección fue diseñado para el caudal de 2800 m3/s, correspondiente al período de retorno de 50 años según los datos disponibles en este momento. Este caudalsignificó niveles máximos de agua debajo de los niveles mínimos de los puentes existentes

en este momento, adecuado a la correspondiente capacidad hidráulica.

Las protecciones constaron de diques de defensa, muros de contención y el revestimientode las orillas del río y del talud, aguas arriba de los diques con losas de concreto. Peroantes de iniciar la construcción de las obras de defensa, las avenidas del Fenómeno El Niñodel año 1983 desbordaron parcialmente el cauce del río, inundando gran parte de la ciudadcon un caudal máximo registrado de 3200 m3/s; así que se aumentó la capacidad hidráulicadel cauce y se cambió el diseño del sistema de protección para avenidas de 3200 m3/s.

Las protecciones existentes no se extienden por todo el tramo urbano. Solamente haysistemas de defensa en los sectores I (margen derecha), II (margen derecha), III y IV(ambas márgenes) del tramo B. Los otros sectores, como también el tramo A, permanecesin protecciones hasta ahora (véase Fig. 2.12).


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+

+

Los Ejidos

Pte. Cáceres

Pte. Intendencia

Pte. Sánchez Cerro

Pte. San Miguel

Pte. Bolognesi

Pte. Integración

Fig. 2.12: Sectores del tramo urbano(se encuentran marcados los sectores protegidos)

El tramo B y también el sector I comienza con el puente Cáceres, donde el río entra en unacurva y sufre un estrechamiento a 150 m. Aguas arriba del puente, hay protecciones enambas márgenes, 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 Cáceres, gran parte la margen derecha está protegida por losas deconcreto, parcialmente reemplazadas por una protección de enrocado después de lasdestrucciones de la avenida en el año 1998.

Foto 2.1: Enrocado de protección de estribo izquierdo de puente Cáceres

Sector II

Sector III

Sector IV

Sector V

Tramo A

Tramo B

Sector I

+

+

+

+


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Además, existe un tramo corto de 40 m en esta margen con un muro de contención. Lamargen izquierda se ha protegido parcialmente con roca en reemplazo de las losasdestruidas por la erosión en una longitud de aproximadamente 70 m, seguido por un tramocon protecciones de losas de concreto. Y luego, hay un dique que continua hasta el puenteSánchez Cerro.

Foto 2.2: Tramo entre puente Cáceres y puente Sánchez Cerro.

El sector II se inicia con el puente Intendencia, que se ubica también en una curva, siendola margen derecha la parte interior de la curva. En la margen derecha se encuentrandistintos sistemas de protección, como enrocado (40m), losas de concreto (30m) y acontinuación un malecón, que se extiende hasta el puente Bolognesi. En la margenizquierda continua el dique (véase fotografía anterior).

A partir del puente Sánchez Cerro, en el sector III, comienzan las obras de protección en lamargen izquierda en forma de losas de concreto. En la margen derecha continua elmalecón.

El sector IV está protegido con losas de concreto en ambas márgenes, parcialmentedeterioradas y reemplazadas por enrocado. Aguas abajo existen muros de ladrillo yconcreto también en ambas márgenes, destruidos en una longitud de 30 m.

Aguas abajo del puente Bolognesi (sector V) comienzan los diques de defensa en ambasmárgenes como la única protección ribereña, que continúan hacia el Bajo Piura.


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Foto 2.3: Aguas abajo del puente Bolognesi

2.4 Impactos del Fenómeno El Niño 1997-1998 en el tramo urbano

Las avenidas del fenómeno El Niño 1997-1998, de acuerdo con su magnitud, sus caudalesmáximos y promedios y el tiempo de persistencia (en total 161 días), no han podido pasar por el tramo urbano sin dañar y debilitar seriamente las obras de encauzamiento del río yotras infraestructuras en el cauce del río, especialmente los puentes. Por efectos hidráulicosy socavación de los cimientos de apoyos, en la ciudad de Piura colapsaron dos puentes, puente Viejo y puente Bolognesi, perdiéndose en estos accidentes varias vidas humanas. El primer puente no resistió los caudales máximos del 12 de marzo y colapsó en la madrugadadel mismo día, mientras que el segundo se cayó el 16 de marzo debido a la fuerte

socavación de los cimientos de sus apoyos.

Fueron diferentes las causas que produjeron la caída de los puentes en Piura; en la Foto2.4, se observa que a pesar de que existe un borde libre de aproximadamente 2 m, el puenteestá soportando esfuerzos de trabajo no previstos y no se produce colapso. En la Foto 2.5se muestra el mismo puente, pero colapsado, el nivel del agua no llegó a tocar el tablero(como sucedió en el puente Cáceres, véase Foto 2.7 y 2.8), sin embargo las fuerzas producidas fueron suficientes para que colapsase.

Otro puente de la ciudad de Piura que colapsó fue el Bolognesi (véase Foto 2.6). El niveldel agua se mantuvo por debajo del tablero. Según los datos presentados y la experienciade los hechos ocurridos, es obvio que los puentes no estaban diseñados para soportarempujes y/o socavaciones originados por caudales tan altos como los producidos durante1998.


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

Foto 2.5: Vista del puente Viejo colapsado.


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Sin embargo, el puente Cáceres, de reciente construcción, soportó el Fenómeno de 1998.En las fotos 2.7 y 2.8 se muestra dicho puente con la máxima avenida registrada (4400m3/s) y se observa que no existe borde libre e incluso hay un pequeño remanso de algunoscentímetros que ya estaban apareciendo; de acuerdo a los procesos constructivos utilizados,y ya que el diseño 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 Cáceres con el caudal de 4400 m3/s

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

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Modelación Númerica Del Río Piura

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