TTE232

MODELO HIDROLÓGICO-HIDRÁULICO PARA LA ESTIMACIÓN DE ÁREAS DE INUNDACIÓN DEL RÍO QUEULE DESDE LA BALSA LOS PINOS HASTA CALETA QUEULE EN LA LOCALIDAD DE QUEULE, COMUNA DE TOLTÉN, REGIÓN DE LA ARAUCANÍA, CHILE.

Proyecto de título para optar el Título Profesional de Ingeniero Civil Geológico

Por

LOCHER ANDRÉS ULLOA PALTA

Profesora Guía:

M.Sc. Jackeline Coromoto Peña Suarez

Profesor Co-guia :

Dr. Oswaldo Peña Villegas

Ministra de fe

Dra. Elisa Ramírez

Agosto de 2023 Temuco, Chile

Comisión Examinadora

Este Examen de Título ha sido realizado en el Departamento de Obras Civiles y Geología de la Facultad de Ingeniería

MINISTRO DE FE

Dra. Elisa Ramírez Sánchez

PROFESOR GUÍA

M.Sc. Jaqueline Coromoto Peña Suarez

PROFESOR CO-GUÍA

Dr. Oswaldo Peña Villegas

PROFESOR INFORMANTE M.Sc. Carlos Cacciuttolo Vargas

Temuco, 18 de agosto del 2023

Agradecimientos

En estos varios años cursados en la universidad muchas personas influyeron que hoy este titulado y gracias a ellos soy la persona que soy. En primer lugar agradecer a mi familia empezando por mi padres, a mi madre Ana Carmen Palta Vega y mi padre Walter Locher Ulloa Miranda, que gracias sus esfuerzos pude estudiar además de darme los valores fundamentales que me rigen como son la honestidad, respeto, empatía, gratitud, responsabilidad, amistad, solidaridad y amor. A mis hermanos Brandon y Katalina por su cariño indiscutible y a mis mascotas Thalía y Ahila su cariño y su felicidad entregada cada vez que llegaba de la universidad. En segundo lugar agradecer a mis amigos los cuales forje una gran amistad a bases momentos de pena, conflicto y lo que siempre nos marcó, los momentos de risas durante gran tiempo de la universidad, nombrar a Juan Vargas gran amigo que gracias a sus palabras directas (algo que lo caracteriza) en momentos personalmente difícil me ayudaron mucho a seguir, Luis Jaure otro gran amigo forjado que por su forma de ser un padre me ayudo con sus palabras y guías, Diego Velázquez por pasar gran tiempo riéndonos en las tardes después de clases de nuestros problemas con la vida. Y finalmente a Alexis Urrutia una muy gran única amiga que la conocí en mitad de la carrera, una personalidad única, directa y graciosa. En tercer lugar quiero agradecer a los profesores que me forjaron, que me dieron su tiempo para darme ánimos, palabras fuertes pero con sentido de que puedo dar lo mejor de mí, nombrar al profesor Héctor Gómez un carácter analítico único sus palabras calaron fondo en mí, en mi procesos formativo y sin duda siempre estaré agradecido por darme la oportunidad única de ser su ayudante por más de 3 años en varios de sus cursos del área de matemáticas, a la profesora María Villanueva por darme la oportunidad de ser su ayudante en su curso de química en contexto un curso que le guardo mucho cariño, al profesor Carlos Cacciuttolo por darme la guía al final para poder darle fin a mi tesis de grado y finalmente al profesor Jesús Torres Hoyer, este último marco mucho en mi durante su periodo como de jefe de carrera, recuerdo muy bien cuando en un momento me sentía muy cansado por varios conflictos personales me acerque a él y el con su carácter serio me hablo de tú a tú y después de esa larga conversación aún recuerdo la frase final que me dijo “ Quiero verte como ingeniero Locher” muchas gracias por esa frase profesor me ayudó mucho. Podría escribir muchos agradecimientos a todas las personas que conocí en clases, biblioteca, pasillos, amigos de mis amigos, conserjes, secretarias, profesores a ellos y a los que no nombre acá muchas gracias.

Si te resistes a las reglas, te resistes a la diversión. El tiempo que pasas riendo es tiempo que pasa con los dioses.

No podemos vivir en el pasado, ni podemos vivir en el futuro. El presente es nuestro único momento. Siempre hay una salida, siempre hay una solución. A veces, solo tienes que dar un pequeño paso en el camino correcto.

Frases del maestro Hayao Miyazaki

ÍNDICE DE CONTENIDOS

ÍNDICE DE CONTENIDOS

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ÍNDICE DE FIGURAS

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ÍNDICE DE TABLAS

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RESUMEN

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ABSTRACT

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1) Capítulo I: Definición del Problema ........................................................................................ 3 1.1 Introducción ..................................................................................................................... 3 1.2 Planteamiento del problema ............................................................................................. 4 1.3 Justificación...................................................................................................................... 5 1.4 Objetivos .......................................................................................................................... 7 1.4.1 Objetivo general ........................................................................................................ 7 1.4.2 Objetivos específicos ................................................................................................ 7 1.5 Alcances y limitaciones.................................................................................................... 8 1.5.1 Alcances .................................................................................................................... 8 1.5.2 Limitaciones.............................................................................................................. 8 1.6 Ubicación ......................................................................................................................... 8 2) Capitulo II: Estado del Arte..................................................................................................... 9 2.1 Antecedentes Internacionales ........................................................................................... 9 2.2 Antecedentes Nacionales................................................................................................ 11 3) Capitulo III: Marco Teórico................................................................................................... 15 3.1 Bases Teóricas ................................................................................................................ 15 3.1.1 Hidrología ............................................................................................................... 15 3.1.2 Ciclo hidrológico..................................................................................................... 15 3.1.3 Cuenca hidrográfica ................................................................................................ 16 3.1.4 Parámetros geomorfológicos de la cuenca.............................................................. 16 3.1.5 Precipitación............................................................................................................ 18 3.1.6 Análisis de datos pluviométricos ............................................................................ 20 3.1.7 Distribución probabilística en hidrología................................................................ 20 3.1.8 Corrección de datos por intervalo fijo de observación ........................................... 27 3.1.9 Periodo de retorno (T) o tiempo de recurrencia ...................................................... 27

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3.1.10 Determinación de la tormenta de diseño................................................................. 27 3.1.11 Curva de Intensidad, Duración y Frecuencia (IDF)................................................ 28 3.1.12 Obtención del hietograma de diseño ....................................................................... 31 3.1.13 Método SCS para abstracciones o método de Curva número (CN)........................ 33 3.1.14 Estimación de Caudales .......................................................................................... 36 3.1.15 Modelo hidrológico en HEC-HMS......................................................................... 40 3.1.16 Modelo hidráulico en HEC-RAS............................................................................ 44 3.1.17 Sistema de Información Geográfica (SIG).............................................................. 48 4) Capitulo IV: Metodología...................................................................................................... 54 4.1 Tipo y Diseño de Investigación...................................................................................... 55 4.1.1 Tipo de investigación .............................................................................................. 55 4.1.2 Diseño de investigación .......................................................................................... 55 4.2 Unidad de análisis .......................................................................................................... 56 4.3 Población de estudio....................................................................................................... 57 4.4 Tamaño de muestra ........................................................................................................ 57 4.5 Selección de muestra ...................................................................................................... 58 4.6 Técnicas de recolección de datos ................................................................................... 58 4.6.1 Tipo de técnicas e instrumentos .............................................................................. 58 4.6.2 Criterios de validez y confiabilidad de los instrumentos ........................................ 58 4.6.3 Análisis e interpretación de la información ............................................................ 58 4.7 Procedimientos de registro ............................................................................................. 59 4.7.1 Selección de información........................................................................................ 59 4.8 Recopilación de la información pluviométrica .............................................................. 59 4.9 Modelamiento hidrológico mediante HEC-HMS .......................................................... 59 4.10 Modelamiento hidráulico mediante HEC-RAS.............................................................. 60 4.11 Determinación de las zonas vulnerables a inundaciones ............................................... 60 4.12 Sugerencias y Recomendaciones ................................................................................... 60 4.13 Datos generales .............................................................................................................. 60 4.13.1 Ubicación de la zona de estudio.............................................................................. 60 4.13.2 Clima ....................................................................................................................... 61 4.13.3 Información pluviométrica...................................................................................... 61 4.14 Procedimientos y cálculos .............................................................................................. 61 4.14.1 Parámetros geomorfológicos de la cuenca río Queule............................................ 61 4.14.2 Distribución probabilística ...................................................................................... 61

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4.14.3 Modelamiento hidrológico en HEC-HMS .............................................................. 72 4.14.1 Modelamiento hidráulico en HEC-RAS ................................................................. 78 5) Capitulo V: Análisis de Resultados....................................................................................... 85 5.1 Identificación de zonas inundables para diferentes periodos de retorno........................ 85 5.2 Identificación de zonas afectadas por velocidades......................................................... 90 5.3 Propuestas de medidas para la reducción del riesgo de inundación............................... 91 6) Capítulo VI: Conclusiones y recomendaciones ..................................................................... 96 6.1 Conclusiones .................................................................................................................. 96 6.2 Recomendaciones........................................................................................................... 98 Capítulo VII: Referencias bibliográficas .................................................................................... 100 7) Anexos ................................................................................................................................. 101

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Índice de Figuras

Figura 2.1 Cantidad acumulada de desastres de origen natural en Chile a través del tiempo. ..... 12 Figura 3.1 Ciclo hidrológico ......................................................................................................... 16 Figura 3.2 Histograma de alturas de precipitación ....................................................................... 19 Figura 3.3 Hietograma de intensidades ........................................................................................ 20 Figura 3.4 Curva de densidad para una variable aleatoria normal estándar ................................. 21 Figura 3.5 Función de densidad de la distribución Log-Normal .................................................. 22 Figura 3.6 Función de densidad de la distribución Gumbel ......................................................... 25 Figura 3.7 . Ejemplo Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia para lluvia máxima .................... 31 Figura 3.8 Hietograma. D: Duración; Pi: Precipitación total; t: Tiempo ...................................... 32 Figura 3.9 Hietogramas de lluvias de 24 horas del SCS ............................................................... 33 Figura 3.10 Variables del método para abstracciones del SCS .................................................... 34 Figura 3.11 Componentes del hidrograma aislado de una tormenta............................................. 38 Figura 3.12 Hidrograma unitario - Fuente: Cahuana & Yugar (2009). ....................................... 39 Figura 3.13 Principio de proporcionalidad y superposición del hidrograma unitario.. ................ 39 Figura 3.14 Ventana de definición del proyecto ........................................................................... 41 Figura 3.15 Barra de botones de la ventana principal de HEC-RAS............................................ 47 Figura 3.16 Esquema de la arquitectura de ArcGIS...................................................................... 48 Figura 3.17 Pantalla de trabajo en ArcGIS. .................................................................................. 52 Figura 4.1 Diagrama de la metodología del procesamiento para esta investigación .................... 54 Figura 4.2 Diagrama de la Investigación ...................................................................................... 56 Figura 4.3 Unidad de Análisis ...................................................................................................... 57 Figura 4.4 Mapa de ubicación de la zona de estudio .................................................................... 60 Figura 5.1 Mapa de inundación río Queule para un T = 2 años.................................................... 86 Figura 5.2 Mapa de inundación río Queule para un T = 5 años.................................................... 86 Figura 5.3 Mapa de inundación río Queule para un T = 10 años.................................................. 87 Figura 5.4 Mapa de inundación río Queule para un T = 25 años................................................. 87 Figura 5.5 Mapa de inundación río Queule para un T = 50 años.................................................. 88 Figura 5.6 Mapa de inundación río Queule para un T = 100 años................................................ 89 Figura 5.7 Mapa de inundación río Queule para un T = 500 años................................................ 89 Figura 5.8 Mapa de velocidades río Queule para un T = 100 años .............................................. 90 Figura 5.9 Mapa de velocidades río Queule para un T = 500 años ............................................. 91 Figura 5.10 Señalética preventiva en caso de inundación. ........................................................... 95 Figura 7.1 Topografía Queule. .................................................................................................... 102 Figura 7.2 Batimetría Rio Queule. .............................................................................................. 103 Figura 7.3 Rango Mareas Puertos Secundarios. ......................................................................... 104 Figura 7.4 Hidrograma para un periodo de retorno de 2 años en HEC-HMS ............................ 105 Figura 7.5 Hidrograma para un periodo de retorno de 5 años en HEC-HMS ........................... 105 Figura 7.6 Hidrograma para un periodo de retorno de 10 años en HEC-HMS .......................... 106 Figura 7.7 Hidrograma para un periodo de retorno de 25 años en HEC-HMS. ......................... 106 Figura 7.8 Hidrograma para un periodo de retorno de 50 años en HEC-HMS .......................... 107 Figura 7.9 . Hidrograma para un periodo de retorno de 100 años en HEC-HMS ...................... 107 Figura 7.10 Hidrograma para un periodo de retorno de 500 años en HEC-HMS ...................... 108 Figura 7.11 Parámetros hidráulicos de la sección 1759.135 para un T = 100 años .................... 109 Figura 7.12 Identificación de sección de desborde (Sección 1759.135) T = 100 años............... 109 Figura 7.13 Parámetros hidráulicos de la sección 1710.627 para un T = 100 años .................... 110

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Figura 7.14 Identificación de sección de desborde (Sección 1710.627) T = 100 años.............. 110 Figura 7.15 Parámetros hidráulicos de la sección 1663.346 para un T = 100 años .................... 111 Figura 7.16 Identificación de sección de desborde (Sección 1663.346) T = 100 años............... 111 Figura 7.17 Parámetros hidráulicos de la sección 1607.695 para un T = 100 años. ................... 112 Figura 7.18 Identificación de sección de desborde (Sección 1607.695) T = 100 años.............. 112

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Índice de Tablas

Tabla 2-1 Principales desastres naturales en Chile para el periodo 1900-2010............................ 11 Tabla 2-2 Los 10 mayores desastres naturales en Chile 1983-2012. ............................................ 11 Tabla 2-3 Estadísticas relacionadas con los distintos tipos de desastres en Chile, periodo 1900 2019............................................................................................................................................... 12 Tabla 3-1 Clasificación de cuencas por superficie........................................................................ 17 Tabla 3-2 Valores de los coeficientes, según el número de datos de la muestra. ......................... 26 Tabla 3-3 Distribución de lluvia SCS. .......................................................................................... 32 Tabla 3-4 Rangos para la clasificación de las condiciones antecedentes de humedad (AMC). ... 35 Tabla 3-5 Curva número para usos de tierra agrícola, suburbana y urbana (condiciones antecedentes de humedad II, Ia=0.2S). ......................................................................................... 36 Tabla 3-6 Elementos hidrológicos para la modelación ................................................................. 43 Tabla 4-4-1 Estación pluviométrica. ............................................................................................ 61 Tabla 4-2 Distribución de probabilidades pluviométricas mediante Gumbel. ............................. 63 Tabla 4-3 Cálculo variables probabilísticas. ................................................................................. 64 Tabla 4-4 Cálculo de las Precipitaciones Diarias Máximas Probables para distintos periodos de retorno. .......................................................................................................................................... 64 Tabla 4-5 Precipitación máxima Pd (mm). ................................................................................... 65 Tabla 4-6 Grupo hidrológico de la cuenca del río Queule. ........................................................... 71 Tabla 4-7 Caudales máximos para diferentes periodos de retorno del hidrograma...................... 78 Tabla 4-8 Índices de Manning. ..................................................................................................... 79 Tabla 5-1 Caudales para cada periodo de retorno entregados por HEC-HMS............................. 85 Tabla 5-2 Acciones a realizar por Tipos de Alerta. ...................................................................... 92 Tabla 8-7-1 Datos precipitación máxima 24 horas Estación Los Arrayanes. ............................. 101

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Resumen

El río Queule de la comuna de Toltén, provincia de Cautín, ha sido escenario de recurrentes inundaciones frente a eventos de máximas avenidas, generando daños materiales y económicos; por lo cual, la delimitación de zonas vulnerables a inundaciones a través de un modelamiento hidrológico e hidráulico es el propósito de la presente investigación, con el fin de mitigar los daños. El planteamiento de este es no experimental y se elaboró con una muestra de 9 km de tramo del río Queule desde la Balsa Los Pinos hasta Caleta Queule. El procedimiento de datos se dio por medio de métodos estadísticos -ArcGIS 10.8, HEC-HMS 4.10, HEC-RAS 6.1, Hydrognomon y Microsoft Excel 2021. Se elaboró el modelo hidrológico a través de HEC-HMS con data de entrada: parámetros geomorfológicos de la subcuenca, abstracciones iniciales (Ia), curva número (CN) y hietogramas de precipitaciones de diseño en 24 horas; resultando, caudales máximos de 73,7, 120,4, 150,8, 189,5, 218,2, 246,8 y 312,8 m 3 /s para periodos de retorno 5, 10, 25, 50, 100, y 500 años respectivamente, los mismos que fueron calibrados. Seguidamente, se realizó el modelo hidráulico de los flujos mediante HEC-RAS, con data de entrada: topografía, coeficiente de Manning (n) y caudales máximos. Finalmente, se determinó las zonas vulnerables a inundaciones para los periodos de retorno seleccionados, las cuales son: Portal Queule, Caleta Queule y Los Pinos.

Palabras Claves : HEC-RAS, Inundaciones, Máximas Avenidas, Modelo Hidrológico, Modelo Hidráulico, Vulnerabilidad.

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Abstract The Queule river in the commune of Toltén, province of Cautín, has been the scene of recurring floods in the face of events of maximum avenues, generating material and economic damage; Therefore, the delimitation of zones vulnerable to flooding through hydrological and hydraulic modeling is the purpose of this investigation, in order to mitigate the damage. This approach is non-experimental and was developed with a sample of a 9 km section of the Queule River from Balsa Los Pinos to Caleta Queule. The data procedure was given through statistical methods -ArcGIS 10.8, HEC-HMS 4.10, HEC-RAS 6.1, Hydrognomon y Microsoft Excel 2021. The hydrological model was developed through HEC-HMS with input data: geomorphological parameters of the sub-basin, initial abstractions (Ia), number curve (CN) and design rainfall hyetograms in 24 hours; resulting in maximum flows of 73,7, 120,4, 150,8, 189,5, 218,2, 246,8 and 312,8 m3/s for return periods of 5, 10, 25, 50, 100, and 500 years respectively, the same ones that were calibrated. Next, the hydraulic model of the flows was made using HEC-RAS, with input data: topography, Manning coefficient (n) and maximum flows. Finally, the areas vulnerable to flooding for the selected return periods were determined, which are: Portal Queule, Caleta Queule and Los Pinos.

Keywords: HEC-RAS, Floods, Máximum Avenues, Hydrological Model, Hydraulic Model, Vulnerability

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1) CAPÍTULO I: DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

1.1

Introducción

En el mundo el cambio climático se ha vinculado con el aumento de fenómenos meteorológicos extremos como lluvias intensas, inundaciones, olas de calor y sequias (Comisión Europea, 2021). De los cuales los fenómenos de inundación destacan mayormente por tormentas de lluvia intensas y continuas durante días. La disyuntiva de las inundaciones va aumentando en conjunto al avance y desarrollo de nuestra sociedad, en esta última son cada vez más susceptibles a desastres socio naturales y además en términos económicos las inundaciones son las que causan mayores pérdidas. Chile no está exento del cambio climático, según la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC), Chile se considera un país altamente vulnerable al cambio climático, ya que cumple con 7 de los 9 criterios de vulnerabilidad establecidos, tales como: áreas costeras a baja altura; zonas áridas y semi áridas, con cobertura forestal y expuestas al deterioro forestal; territorio susceptible a desastres naturales; áreas urbanas con problemas de contaminación atmosférica; ecosistemas montañosos, y zonas propensas a la sequía y la desertificación.. De acuerdo con el Plan de Acción Nacional de Cambio Climático (2016), esta prevé un aumento de inundaciones entre las regiones de Coquimbo y Los Lagos, dado por el crecimiento de eventos de altas precipitaciones con temperaturas elevadas acompañada por una elevación de la isoterma de 0°C, esto produce una importante reducción de las reservas de agua en las cabeceras de cuencas nivales y nivo-pluviales, aumentando notablemente los caudales de los ríos, generando posibles inundaciones. En Chile existe un gran número de ciudades y pueblos vulnerables a desastres, esto se ve evidenciado a lo largo de nuestra historia, donde las inundaciones han impactado de manera recurrente en los últimos años. Las inundaciones se refieren al cubrimiento de agua que ocurren por fuertes precipitaciones en áreas que en condiciones normales se mantienen secas. Por lo tanto, la gran tarea que tenemos frente a nosotros es implementar y crear reflexión en la población de una cultura de prevención ante estos desastres. La importancia de contar con un mapa de inundación actualizado que identifique las zonas vulnerables a este peligro de origen natural se sustenta en la necesidad de contribuir en mitigación de desastres con el fin de proteger las vidas humanas, aminorar las pérdidas de materiales y económicas. Por otra parte, se aplicó herramientas y métodos de la hidrología, hidráulica y sistemas de información geográfica (SIG) en la metodología, siendo primero la realización del modelamiento hidrológico en HEC HMS, donde se obtuvo los caudales máximos para diferentes periodos de retorno. Consecutivo a esto se trabajó en la confección de la simulación hidráulica de áreas de inundación en HEC RAS, en el cual se obtuvo alturas de escurrimiento y velocidades de flujo. Finalmente, con SIG se representó las zonas inundables a través de mapas.

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La finalidad del presente trabajo de tesis fue determinar las zonas vulnerables a inundaciones que afecta a la población de Queule, provincia de Cautín, región de la Araucanía.

Esto engloba la determinación de caudales máximos, áreas de inundación y la elaboración de mapas de inundación, para luego proponer medidas de reducción del riesgo de desastres y así informar/preparar a la comunidad en caso de una situación de emergencia.

1.2

Planteamiento del problema

Según la convención de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC), el cambio climático es un cambio en el clima, atribuido directa o indirectamente a la actividad humana que altera la composición de la atmósfera mundial, y que se suma a los cambios regulares que, de forma natural, se dan en el planeta. Las sequías, las tormentas y las inundaciones, todos fenómenos relacionados con el agua, dominan la lista de catástrofes de los últimos 50 años, tanto en términos de pérdidas humanas como económicas, según un análisis exhaustivo de la Organización Meteorológica Mundial (OMM). De las 10 principales catástrofes registradas durante ese periodo, las que han provocado la mayor cantidad de víctimas han sido las sequías con 650.000 muertes; seguidas por las tormentas, con 577.232; las inundaciones, con 58.700; y las temperaturas extremas, con 55.736, según el Atlas de esta agencia de la ONU sobre mortalidad y pérdidas económicas debidas a fenómenos meteorológicos, climáticos e hidrológicos extremos entre 1970-2019. Las inundaciones propiamente corresponden a una consecuencia derivada de otros procesos de recurrencia interanual, como son las crecidas de los cursos de agua, sumado ello a condiciones de insuficiencia de los sistemas de evacuación, sean estos cauces naturales, sistemas de drenaje artificializados, colectores urbanos, etc. (Ferrada,2006). Se trata del resultado del desequilibrio que se manifiesta en un momento, lugar y situación dada, entre el volumen hídrico a evacuar en una determinada parcela de tiempo, y la capacidad de evacuación de los cauces o sistemas de drenaje. Debe tenerse en cuenta, además, que dicha demanda no está compuesta sólo por agua, sino también por los sedimentos que esta transporta y arrastra, y cuya proporción respecto del volumen hídrico, sumado a las variaciones en la capacidad de carga del curso de agua, va a influir directamente en la ocurrencia de los desbordes (Ferrada,2006).

Un hecho relevante es la recurrencia de las crecidas que presenta una cuenca fluvial dada respecto de otra. Ello está asociado, por una parte, a las características del régimen pluviométrico y térmico

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que registre el clima imperante y, por otra, a las características morfométricas que está presente (alturas, forma, pendiente media, superficie, etc.), al desarrollo del sistema de drenaje (densidad, frecuencia y jerarquía de la red hídrica), y a la capacidad de retención hídrica de la cuenca, aspectos todos ellos que influyen en la torrencialidad, la velocidad de respuesta, el tiempo de concentración, y el volumen de los caudales (Ferrada,2006). En los registros históricos de inundaciones fluviales de la Región de la Araucanía data desde abril del año 1948 dejando una tasa de 50 muertos y 15 muertos en diciembre de 1971, sin contar las grandes precipitaciones ocurridas en la zona sur de Chile donde han dejado muchos damnificados, afectados y muertos (Una revisión de inundaciones fluviales en Chile, período 1574-2012: causas, recurrencia y efectos geográficos). El último gran suceso ocurrió en junio del 2021 donde hubo grandes lluvias en el sector de Toltén que, de acuerdo a información de ONEMI (Oficina Nacional de Emergencia del Ministerio del Interior), la Municipalidad de Toltén, a través de la Dirección Regional en La Araucanía, certificó que se reportan 96 personas damnificadas y 40 viviendas anegadas, producto el desborde de los ríos Toltén, Colima, Pirén y Queule en la comuna. Este último afectando los sectores rurales de Tromen, Chanquin y Miramar, todos estos cercanos al pueblo de Queule. De acuerdo a las proyecciones oficiales del INE (Instituto Nacional de Estadísticas), al año 2017 la comuna cuenta con un total, de 11.357 habitantes, lo cual es una cifra menor a lo dispuesto para el 2007, en donde Toltén disponía casi 11.600 habitantes. Es posible visualizar con absoluta claridad que existe una tendencia a la disminución de la población comunal, situación que es más marcada desde al año 2009 en adelante. Sin embargo, al mirar los valores absolutos, no es posible afirmar tan categóricamente esto como una situación preocupante, ya que lo se visualiza es que desde el 2002 al 2020, solo se han reducido en 358 habitantes (PLADECO 2017-2022). 1.3 Justificación En Queule ha habido un alza considerable en el sector turístico (SERNATUR), tales como: cultural, gastronómico, indígena, fluvial y recreación. Esto hace que en diferentes periodos del año transcurra gente en Queule por los motivos ya mencionados. Como la seguridad, bienestar e integridad de las personas son relevantes, es necesario generar políticas de gestión de riesgo, para ello es necesario generar planes de ordenamiento territorial, con la ayuda de herramientas tecnológicas que permitan apoyo para una toma de decisiones en casos de alerta por inundaciones. De acuerdo con lo anterior, una herramienta tecnológica es fundamental, ya que permite recopilar, organizar y manejar la información relacionada con las diferentes variables de riesgo, además es muy importante saber que es una herramienta que admite la actualización de datos, por lo cual

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permite una evaluación de riesgo casi inmediata, sin necesidad de generar todo un estudio de campo que puede durar mucho tiempo en desarrollarse (Robayo, 2014).

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1.4

Objetivos

1.4.1

Objetivo general

• Aplicar Modelo Hidrológico-Hidráulico para la estimación de áreas de inundación del río Queule desde la balsa Los Pinos hasta caleta Queule en la localidad de Queule, comuna de Toltén, Región de la Araucanía, Chile.

1.4.2

Objetivos específicos

• Caracterizar la geomorfología del río Queule en función al uso de información topográfica y sistemas de información geográfica (SIG). • Estimar alturas de escurrimiento, caudales de crecidas, y áreas de inundación del rio Queule utilizando el modelo de simulación hidrológico-hidráulico HEC-HMS / HEC-RAS para diferentes magnitudes de precipitaciones en base a distintos períodos de retorno. • Entregar recomendaciones sobre las zonas de vulnerabilidad frente a crecidas en el río Queule en base a la confección de mapas con las áreas afectas a inundación

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1.5

Alcances y limitaciones

1.5.1

Alcances

• La investigación se centra en la recolección de datos cuantitativos de la zona de estudio para su modelación en el software HEC RAS. • A partir de los datos se busca hacer un modelo de inundación para identificar los posibles lugares con mayores amenazas asociados a inundación en el sector urbano de Queule.

1.5.2

Limitaciones

Dentro de las limitaciones que se encuentran en la investigación, se puede destacar los siguientes apartados: • Falta de información fluviométrica del río Queule por parte de la DGA. • Existencia de una sola estación de monitoreo en la comuna de Toltén

1.6

Ubicación

La investigación se realizó desde la barcaza que une el sector de portal Queule con el sector isla Los Pinos hasta caleta Queule, comuna de Toltén, Región de la Araucanía, Chile. La Figura 1 muestra la ubicación la cual se encuentra zona de estudio de color celeste transparente.

Figura 1 Mapa Queule, Comuna de Toltén y ubicación de la sección estudiada de color celeste- Fuente: Google Earth.

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2) CAPITULO II: ESTADO DEL ARTE

2.1

Antecedentes Internacionales

Los desastres naturales representan un problema ampliamente extendido a escala global, ya que suponen un alto riesgo para un mundo sostenible, tanto en su dimensión social como en la económica, es por esto que se han convertido en un problema central y crítico en las economías regionales (Ayala Carcedo et al., 2006; Zou & Wei, 2009). En las últimas décadas, la vulnerabilidad a las amenazas naturales ha aumentado dramáticamente en América Latina y el Caribe, como consecuencia de una expansión urbana rápida y desordenada (BID, 2005), es así que la región conoce muy bien la devastación ocasionada por inundaciones, terremotos, huracanes, erupciones volcánicas, deslizamientos de tierra y sequías. En los últimos años, las amenazas naturales han dejado un saldo de más de 45.000 muertos, 40 millones de damnificados y daños que superan los US$ 32.000 millones (Clarke y Pineda, 2007). Héctor Giovanni Vásquez, 2012 , en su tesis “Inundaciones en zonas urbanas, medidas preventivas y correctivas, acciones estructurales y no estructurales”, habla que entre las diversas amenazas naturales que con frecuencia impactan las áreas urbanas, destacan las de origen hidrometeorológico, sobre todo precipitaciones intensas, de corto tiempo y las provocadas por los ciclones tropicales, las cuales al vincularse con la dinámica del proceso de ocupación urbana, favorecen el riesgo de desastre por inundaciones. Cabe señalar que el problema aumenta rápidamente y sus consecuencias se manifiestan en pérdidas económicas, daños materiales y humanos. Leidy Alejandra Robayo Mejía, 2014 , en su artículo “Análisis de amenaza por inundac iones para la localidad de Tunjuelito”, muestra la generación de un mapa de amenaza por inundación para la localidad de Tunjuelito, en respuesta a la problemática de la localidad que consiste en la ubicación de asentamientos humanos en las zonas aledañas al río Tunjuelo, situación que pone en riesgo la vida de muchas personas y el desarrollo lo económico de toda la localidad, el programa en el cual se le dio forma al mapa fue el Sistema de Información Geográfica de libre distribución QGIS. El mapa que se obtuvo es el resultado a la investigación, recolección y depuración de la información de las variables más influyentes en la amenaza por inundación, análisis de las condiciones hidráulicas del cauce y la digitalización del alcance de las aguas en los diferentes periodos de retorno evaluados. Hernández-Uribe, R. E., Barrios-Piña, H., & Ramírez, A. I. 2017 , en su trabajo de título “Análisis de riesgo por inundación: metodología y aplicación a la cuenca Atemajac” presenta una metodología de análisis de riesgo por inundación aplicable a cuencas urbanas y va dirigida a los tomadores de decisiones para mitigar daños. La metodología se aplica a la cuenca urbana del río Atemajac, Jalisco, México, donde cada año hay graves problemas de inundación por el desbordamiento del cauce principal, originando severos daños. La metodología se fundamenta en

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dos vertientes que son complementarias: la del enfoque determinista, basado en modelación numérica y determinación de daños; y la del enfoque paramétrico, donde se tratan de homologar los factores que intervienen en la vulnerabilidad, a través de índices adimensionales normalizados por los componentes de índoles social, económico, físico y ambiental. Los resultados muestran las zonas de riesgo y de alta vulnerabilidad por tramos del río Atemajac, definidos de acuerdo con las características que presenta el río a lo largo de su cauce. A partir del modelo determinista se generaron mapas de inundación y daños para 50 y 100 años de periodo de retorno, donde se identifican las zonas que se encuentran en riesgo de moderado a alto a lo largo del río. Los índices de vulnerabilidad por inundación obtenidos con el modelo paramétrico son consistentes con los resultados del modelo determinista, integrando a los indicadores más significativos que definen los grados de exposición, susceptibilidad y resiliencia a lo largo y ancho de la cuenca en estudio de una forma fácil de interpretar para los tomadores de decisiones. Montoya y Rey (2019) realizaron un artículo sobre análisis de vulnerabilidad por inundaciones del Caño Buque en el casco urbano del municipio de Villavicencio-Colombia, teniendo por finalidad la creación de un mapa de amenaza por inundación que permitirá a las entidades competentes tomar medidas para reducir el riesgo. La muestra estuvo conformada por 9.2 km del río Ocoa de la subcuenca Caño Buque. La metodología para el desarrollo de la investigación indica 4 fases: Recopilación de información, levantamiento de información en campo, creación del modelo hidrológico (HEC-HMS) e hidráulico (HEC-RAS) y creación del mapa de inundaciones (ArcGIS). En esta investigación, se concluyó que la zonificación por amenaza de inundación para los periodos de retorno de 5, 25 y 100 años fueron amenazas baja, media y alta respectivamente. Matías, Oropeza, Lugo, Cortez y Jáuregui (2003) efectuaron un trabajo sobre el análisis de las principales causas de las inundaciones de septiembre de 2003 en el sur del estado de Guanajuato, México. El objetivo general fue hallar las causas de las inundaciones en el sur de Guanajuato. El estudio tuvo un tipo de diseño explicativo y la muestra estuvo conformada por 17 distritos de Guanajuato, teniendo en cuenta los datos de precipitación diaria y mapas sinópticos de los fenómenos meteorológicos ocurridos durante el mes de septiembre de 2003, pertenecientes al Servicio Meteorológico Nacional (SMN). Se utilizó la técnica de datos pluviométricos de 25 estaciones climatológicas y con ayuda del Sistema de Información Geográfica (SIG) ArcMap, versión 9.0, se logró un mapa que refleja la distribución de lluvias, para los días de intensas tormentas y otro mapa para el acumulado. Los resultados permitieron identificar las zonas más susceptibles a que se producen inundaciones en base a los mapas generados por el Gobierno del Estado de Guanajuato en 2001. A partir de estos resultados, se concluye que las principales causas provocaron las inundaciones durante septiembre de 2003, en Guanajuato, fueron fuertes lluvias que se produjeron por la interacción de una línea de vaguada, el paso consecutivo de seis ondas y dos ciclones tropicales. El desbordamiento del río Lerma y sus afluentes más importantes, La Laja y Turbio, se debieron a las extraordinarias precipitaciones.

10

2.2

Antecedentes Nacionales

En los últimos años, se ha observado un incremento en la ocurrencia de inundaciones a nivel mundial. Estas se asocian a un incremento en los niveles de precipitación, ya sea su intensidad o duración (IPCC, 2001). El número de inundaciones severas por década, se ha incrementado de 7 en 1950 hasta 34 durante la década de los 90 (Loster, 1999). En la Figura 2-1 y Figura 2-2 se presenta la comparación del número de desastres naturales y mayores desastres en Chile ocurridos desde 1900 hasta 2010.

Tabla 2-1 Principales desastres naturales en Chile para el periodo 1900-2010.

N°

Desastre

Fecha

N° afectados

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Terremoto y tsunami

27-02-2010 08-07-1971 22-05-1985 03-03-1985 Julio-1965 Julio-1984 24-05-2002 12-06-2000 Agosto-1968 17-07-1987

2.671.556 2.348.973 2.003.000

Terremoto

Terremoto y tsunami

Terremoto Inundación Tormenta Inundación Inundación

979.792 375.000 242.345 221.842 139.667 120.000 116.364

Sequia

10

Inundación

Fuente: EM-DAT (2010).

Tabla 2-2 Los 10 mayores desastres naturales en Chile 1983-2012.

Desastre Terremoto Terremoto

Fecha

N° víctimas fatales

27-02-2010 03-03-1985 19-06-1991 05-05-1993 Julio-1984 17-07-1987 12-08-1987 18-05-2005 Julio 1984 29-11-1987

562 180 141 109

Aluvión

Inundación

Sistema frontal

85 73 54 45 42 32

Inundación Inundación Tormenta Tormenta

Aluvión

Fuente: EM-DAT (2012).

Se observa que entre los siete tipos de desastres que se incluyen, las inundaciones son solo superadas por los terremotos. Si bien los terremotos afectan y dejan más víctimas fatales, estos tienen una ocurrencia muy tardía, en cambio las inundaciones ocurren en cortos periodos de tiempo. Esto nos da un punto de vista general del impacto de este evento en la población.

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En particular, las amenazas hidrometeorológicas típicamente asociadas a precipitaciones importantes se han incrementado en el último tiempo, tal como se presenta en la Figura 2.1. En ella se muestra la cantidad acumulada de desastres derivados de eventos extremos de la naturaleza en Chile entre los años 1906 y 2019. Este aumento se explica por la variabilidad y las manifestaciones del cambio climático, así como por las modificaciones de uso de suelo que aumentan los caudales y volúmenes escurridos, e incrementan la población expuesta frente a estos fenómenos.

Figura 2.1 Cantidad acumulada de desastres de origen natural en Chile a través del tiempo. Fuente: EM-DAT: The Emergency Events Database - Universite Catholique de Louvain (UCL) - CRED, D. Guha-Sapir1.

Tabla 2-3 Estadísticas relacionadas con los distintos tipos de desastres en Chile, periodo 1900 2019.

Totales

Tipo de Desastre

Clase de Desastre

N° de Eventos

Muertes

Afectados

Daños (USD MM 2019)

Sequia

Climatológico

2

0

120.000

255.000

Terremoto

Geofísico

31

59.543

9.921.984

35.512.070

Temperaturas Extremas

Meteorológico

9

8

86.100

1.020.000

Inundación

Hidrológico Hidrológico

35

1.245

1.657.667

2.297.600

Deslizamiento

5

251

82.983

6.000

Tormentas

Meteorológico

14

273

504.479

9.300

Actividad Volcánica Incendios Forestales

Geofísico

9

110

86.650

615.000

Climatológico

12

42

21.722

1.464.000

Fuente: EM-DAT- The International Disaster Database - Centre for Research on the Epidemiology of Disasters (CRED), Université Catholique de Louvain (UCL).

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El análisis de los daños causados por eventos naturales muestra que sólo en los años 2014 y 2015, las amenazas socionaturales en Chile generaron pérdidas económicas estimadas en $195 MM CLP, equivalente al 2,5% del presupuesto en educación y el 5,2% del presupuesto en Salud. Luego de los terremotos, los eventos hidrológicos son los eventos que más afectan al país en términos económicos y de vidas humanas (Tabla 2-3), particularmente en ciudades con contextos geoclimáticos que propician crecidas fluviales, aluviones y deslizamientos de tierra ( Gironás y Sandoval, 2017 ). Rojas, O. Mardones, M. Rojas, C. Martínez, C. y Flores, L (2016). En su estudio del curso inferior del río Andalién situado en el Área Metropolitana de Concepción (AMC), segunda más poblada de Chile. Esta zona ha experimentado un 700% de crecimiento de la superficie urbana entre 1955-2007, con un registro de 21 eventos de inundaciones en los últimos 50 años. Se evalúa y zonifica áreas de peligrosidad de inundación fluvial para tasas de retorno entre 2 y 500 años, y se determina e identifica cambios de uso de suelo urbano entre 1943-2011. Para ello se realiza un análisis de las transformaciones físicas y su relación con la expansión urbana mediante fotointerpretación, y de los desastres fluviales mediante modelación numérica (1D). Se determinó que la superficie urbana se incrementó en 1,458 ha en tejidos muy vulnerables ante futuras inundaciones, debido a su localización en unidades expuestas al riesgo de inundación con altitudes. Rojas, O. Mardones, M. Aguayo, M. y Arumí, J.L. (2014) en su revisión bibliográfica de inundaciones fluviales históricas en el período 1574- 2012 a través de diferentes publicaciones, permite analizar, explicar y sistematizar causas o factores detonantes, periodos de recurrencia, distribución y efectos geográficos de las inundaciones acaecidas en Chile continental. Según el factor detonante se identifican 5 tipos principales de inundaciones asociadas a: procesos volcánicos, procesos nivoglaciares, deslizamientos, intervenciones antrópicas y precipitaciones; estas últimas causan el 71% de las inundaciones en el período analizado. A nivel nacional, se observa un patrón zonal de los tipos de eventos dividido en 5 áreas homogéneas, cuya mayor recurrencia se concentra en el dominio climático mediterráneo, consistente con montos pluviométricos intensos y cambios ambientales ocurridos durante las últimas tres décadas. Se constata un incremento de inundaciones catastróficas, relacionadas principalmente con procesos nivoglaciares e intervenciones antrópicas, desde la segunda mitad del siglo XX a la fecha. Según el informe anual de medio ambiente 2020, la oscilación del sur es parte de un complejo sistema cíclico de interacciones entre el océano y la atmósfera. Este ciclo global tiene dos extremos: una fase cálida, conocida como El Niño, y una fase fría, conocida como La Niña. Si bien este fenómeno climático no es considerado un desastre natural en sí mismo, conlleva, dependiendo de la intensidad de cada una de sus fases, consecuencias relacionadas con desastres naturales de origen meteorológico, tales como lluvias intensas, tormentas y ciclones tropicales y, consecuentemente, inundaciones, marejadas de tempestad y deslizamientos de tierras, entre otros.

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Ya que las causas de los fenómenos hidrometeorológicos no se pueden evitar, y muchas veces las obras de control y protección son insuficientes, un apoyo viable es el manejo del riesgo. Esto se alcanza trabajando mediante prevención, pronóstico, información al público y planeación territorial, con la participación de herramientas tecnológicas como la modelación. A continuación, se expone una descripción general de los modelos, su clasificación y características.

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3) CAPITULO III: MARCO TEÓRICO

3.1

Bases Teóricas

3.1.1

Hidrología

Etimológicamente hidrología proviene del vocablo griego “hidro” que significa agua y “logos” estudio; por tanto, es la ciencia que estudia el agua. No obstante, una definición más completa dice que: La hidrología es la disciplina que estudia el agua sobre y debajo de la superficie de la tierra, su existencia, distribución, circulación, sus propiedades físicas y químicas y su relación con el medio ambiente y con el ser humano. En resumen, es la ciencia que estudia la cuantificación de cada uno de los elementos del ciclo hidrológico, donde la precipitación junto con la evaporación son los elementos más importantes. Además, la hidrología hace uso de métodos estadísticos en el análisis e interpretación de datos sobre precipitación, caudales, etc. Empleado con mucha frecuencia para el diseño y ejecución de proyectos de ingeniería hidráulica aplicada al uso, manejo y la defensa contra los daños que ocasiona el agua (Villodas,2008) Es un proceso circular continuo del agua entre la tierra y la atmósfera, en la que el agua experimenta cambios tanto en su estado (sólido, líquido y gaseoso) como en su forma (precipitación, escorrentía superficial, agua subterránea, entre otros), provocado fundamentalmente por la energía solar y la gravedad (Fattorelli & Fernández,2011). El ciclo hidrológico es irregular, una muestra de ello son los periodos de sequias y de inundaciones que estamos tan acostumbrados que ocurran. Los elementos del ciclo hidrológico son: evaporación, precipitación, intercepción, infiltración, percolación, almacenamiento, escurrimiento y transpiración. Se inicia con la evaporación del agua de los océanos y la superficie terrestre, el vapor de agua es transportado por masas de aire hacia los continentes y se condensa en la atmósfera formando nubes, las cuales se transforman en precipitación, estas caen sobre la tierra o los océanos. No toda la precipitación llega al terreno, ya que una parte se evapora durante la caída y otra es retenida (intercepción) por la vegetación o por las superficies de edificios y al poco tiempo vuelve a la atmósfera en forma de vapor. Del agua que llega a la superficie del suelo, una porción queda retenida en huecos e irregularidades del terreno (almacenamiento superficial) y pronto retorna a la atmósfera en forma de vapor. Otra porción discurre sobre la superficie terrestre (exceso de precipitación) hasta descargar en ríos (escorrentía superficial), dichas aguas son conducidas a lagos, mares u océanos, donde se evapora o infiltra en el terreno. La porción restante de la precipitación penetra bajo la superficie del terreno hasta la zona no saturada o subsuelo (infiltración), donde regresa a la atmósfera por medio de evaporación y evapotranspiración. Por último, existe otra parte del agua infiltrada que por efecto de la gravedad puede percolar 3.1.2 Ciclo hidrológico

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