Gaviones ecológicos para la protección de las inundaciones y equilibrio biótico
en el poblado Chacarilla del
río Matagente
Ecological gabions for flood protection and biotic balance
in the Chacarilla town of the
Matagente river
Manuel Alejandro Custodio Salas
Autor corresponsal: manuel.custodio@urp.edu.pe
Orcid: https://orcid.org/0009-0000-7653-7662
Facultad
de Ingeniería de la Universidad Ricardo Palma, Perú.
Lucy Gabriela Ayala Prado
https://orcid.org/0009-0007-9557-5155
Facultad de Ingeniería de la Universidad Ricardo Palma, Perú.
Óscar Rojas Hernández
https://orcid.org/0009-0004-7163-9191
Facultad
de Ingeniería de la Universidad Ricardo Palma, Perú.
Percy Raúl Castro Vásquez
https://orcid.org/0009-0002-0759-0456
Facultad de Ingeniería de la Universidad Ricardo Palma, Perú.
Gustavo Antezana Quiroz
https://orcid.org/0009-0004-5508-8473
Facultad de Ingeniería de la Universidad Ricardo Palma, Perú.
Maiquel López Silva
https://orcid.org/0000-0002-0946-6160
Facultad de Ingeniería
de la Universidad Ricardo Palma,
Perú.
RECIBIDO: 02 de diciembre de 2023.
ACEPTADO: 15 de febrero de 2024.
Cómo citar
Palabras
clave: inundaciones fluviales,
gaviones ecológicos, impacto ambiental, equilibrio biótico, periodo de retorno,
modelos matemáticos, socavación máxima.
Abstract
River flooding continually threatens safety, infrastructure and health in urban environments and the environment, generating significant risks for communities. The objective of this article
is to carry out the sizing of
ecological gabion walls for flood protection and biotic balance in the
Chacarilla town of the Matagente River. The methodology used was
multidisciplinary from basic, specific and detailed studies. Empirical and
numerical methods will be applied for hydrological and hydraulic conditions, as
well as mathematical models for the sizing of the ecological gabion wall. The Leopold
matrix was applied with a qualitative and quantitative approach for the
analysis of environmental impact. For the processing and analysis of the
information, different calculation tools were used such as ArcGIS Pro 2.0, HEC HMS, Hec Ras
and Gawac 3.0. As the main results,
the maximum flow was achieved
first, which was 1379.63
m3/s for a return period
of 140 years, which generated
a maximum scour
of 5.3 m along +0.000m to +880.00m of the river section. Therefore, the
dimensions of the ecological gabion wall were 8 m high, 4.5 m wide for a total of 14960 blocks. A budget for the work was estimated at S/.6,699,633.85. As
conclusions, it is defined that ecological gabion walls are a viable
alternative to mitigate floods and care for the environment.
Keywords: river
floods, ecological gabions, environmental impact, biotic balance, return
period, mathematical models, maximum scour.
En algunas naciones de América del Sur, se
conoce al fenómeno de El Niño como un aumento en la temperatura superficial del mar a lo largo de la costa oeste
de América del Sur
que es acompañado de fuertes lluvias. En el pasado, se
consideraba un fenómeno local, pero en la actualidad se ha reconocido como el factor
principal que contribuye a la alteración del cambio climático a nivel global de manera anual [1]. El Perú es un país diverso
y complejo por su variedad
ambiental, que comprende
sectores susceptibles de desastres naturales como pueden ser sismos, tsunamis,
inundaciones y corrimientos de tierra.
En ese sentido, los daños causados por inundaciones son los
que se presentan con mayor frecuencia en el país. En particular, la probabilidad de inundaciones
de gran magnitud es mucho mayor durante los años en los
que se registra el fenómeno de El Niño [2].
Asimismo, las inundaciones acarrean grandes pérdidas económicas reflejadas en
destrucción de viviendas y el daño a gran parte de cultivos de las comunidades
que laboran sus tierras aledañas a los ríos [3].
En Lima Metropolitana, el último evento de
lluvias intensas vinculado al fenómeno de El Niño ocurrió en el año 2017, el
mismo que produjo el desborde de los ríos Chillón, Rímac y Lurín. Además, activó
múltiples quebradas que causaron la pérdida de vidas humanas y daños materiales
[4].
En los últimos años, las ciudades costeras,
especialmente en la provincia de Chincha, han experimentado un crecimiento significativo. La ocupación indebida
de áreas cercanas
a los ríos está acelerando la degradación de sus márgenes, lo que expone
estas zonas a riesgos potenciales durante eventos naturales cíclicos con características
extremas en el Perú.
Es por eso que el poblado de Chacarilla
no es ajeno a esta problemática, debido
a que se observa que en
el primer trimestre de cada año se
producen grandes aumentos del caudal en el río Matagente que sobrepasa la
capacidad hidráulica natural [5]. Esto supone que, en el futuro, persistirán
las inundaciones, lo que provocará reiteradamente daños significativos tanto a
las viviendas, como a los cultivos.
En vista de ello, el propósito de este análisis
es anticipar posibles
desastres derivados de riesgos
como inundaciones y deslizamientos de tierra durante la temporada de lluvias de
2023. El objetivo es respaldar la aplicación de medidas preventivas, tanto de naturaleza estructural como no estructural en la zona de influencia. Se busca abordar
específicamente la amenaza
potencial de deslizamientos de tierra en la cuenca
del río Matagente, cuyas precipitaciones podrían
tener un impacto significativo en el sector de Chacarilla [6]. En ese
sentido, se propuso la construcción de un muro de gavión que servirá de soporte y protección para evitar que el cauce salga de su curso en momentos de
crecida. De este modo, se proporcionará estabilidad a los terrenos ubicados en
los márgenes del río [7]. Asimismo, debido a la actual contaminación ambiental,
es necesario promover construcciones ecológicas y sostenibles. Se busca
optimizar el uso del agua de lluvia y aprovechar la radiación solar en el
sector de la construcción civil como alternativas viables y respetuosas con el
medio ambiente [8].
Por todo lo expuesto, el presente artículo busca
analizar los gaviones ecológicos para la protección de las inundaciones y equilibrio biótico
en el poblado Chacarilla del río Matagente. Se visualiza como
una medida proactiva para prevenir inundaciones. Este enfoque se sustenta en
una metodología integral que combina la ingeniería hidráulica, la gestión de
riesgos y la sostenibilidad ambiental. A través de un análisis detallado de la
problemática existente y la aplicación de técnicas modernas de control de
inundaciones, se busca establecer una solución sostenible que no sólo proteja a
la ciudad de eventos extremos, sino que también fomente la resiliencia a largo
plazo.
La investigación se llevó a cabo en el centro
poblado Chacarilla, ubicado en la provincia de Chincha, distrito de Chincha
baja, que abarca 124 viviendas con una población de 451 habitantes [9]. La muestra
del estudio se seleccionó tomando
200 m aguas arriba y 680 m aguas
abajo del puente Chamorro.
El estudio se distribuyó
en tres etapas, las cuales abarcan desde estudios básicos, hidrología e
hidráulica hasta los costos e impacto ambiental.
2.1. Etapa I: Estudios
básicos
Está compuesta por los estudios topográficos,
geológicos y geotécnicos; se llevó a cabo mediante el uso de fuentes hidro informáticas que proporciona la Autoridad Nacional
del Agua (ANA), INGEMMET,
SENAMHI, y los sistemas de información geográfica. La información recopilada fue procesada utilizando herramientas como ArcGIS
Pro 2.0, HEC HMS, Geo GPS,
Hec-Ras 6.14 , Trend e Hydrognomon 4. A través de estas se delimitó la cuenca hidrográfica, el área de estudio, los parámetros morfométricos
de la cuenca y la elaboración de los planos.
En relación a la obtención del caudal máximo
del río Matagente, se recopilaron series históricas de caudales
del río brindadas por la ANA.
También se utilizó el programa Trend
para analizar la consistencia de los datos y así determinar la máxima avenida
del río con el programa Hydrognomon en función
del tiempo del retorno mediante
los valores máximos
recomendados de riesgo admisible de obras de drenaje. Para defensas ribereñas, este es un 25% con una vida
útil de 40 años [10]. Para hallar el tiempo de retorno se tomó en cuenta
la siguiente ecuación
y por consiguiente el caudal máximo.
Donde:
n es la vida útil en años,
T es
el tiempo de retorno, R es el riesgo de falla admisible.
2.2. Etapa II: Estudio hidráulico y estructural
En esta fase, se llevaron a cabo estudios hidráulicos y estructurales,
esenciales para la gestión y mitigación de riesgos en el río Matagente utilizaron los programas Hec-Ras 6.14 y ArcGIS Pro 2.0 para poder identificar el ancho de
encauzamiento y el área inundada.
Para estimar la socavación, se empleó el Método
de Lacey, adaptándolo a la investigación mediante factores propios, como el
factor "f" y el factor de corrección "Ksa". Con los
datos obtenidos se determinó la profundidad de socavación, para luego hallar el perfil
de socavación del tramo del
río. Esto se formuló mediante las siguientes ecuaciones:
𝐷𝑠 = 1.35 (𝑞2 - 𝑓1/3)
Donde:
Ds es la profundidad de socavación por debajo de la superficie del agua en la máxima avenida (m), q es el caudal
unitario (m3/s/m), f el factor propuesto por Lacey.
𝐷𝑠𝑎 = 𝐾𝑠𝑎 ∗ 𝐷𝑠
Donde: Dsa es la profundidad de socavación por debajo de la superficie del agua ajustada
(m), Ksa factor de corrección según características del río.
𝑑𝑠𝑎 = 𝐷𝑠𝑎− 𝑌
Donde: dsa es la profundidad de socavación por debajo del lecho del río
(m), Y es el tirante máximo del agua (m).
En función al diseño de los gaviones ecológicos,
se empleó el programa Gawac 3.0 para el análisis estructural, considerando
parámetros como peso específico del suelo, ángulo de fricción, tirante
de agua, entre otros. Con estos análisis,
se identificó la cantidad de bloques que conformarían el muro.
2.3. Etapa III: Presupuesto e impacto ambiental
En base al metrado, se determinó el presupuesto que se necesitará para la ejecución del muro de gavión
ecológico. Los costos
se tomaron en base a los precios
unitarios brindados por la Cámara Peruana de la Construcción (CAPECO) [11]. Y como herramienta de análisis se utilizó el S10,
hojas de cálculo y criterios profesionales.
Para el análisis de impacto ambiental se
utilizó como herramienta la Matriz de Leopold para el análisis cualitativo y
cuantitativo con las matrices brindadas por el profesor a cargo del curso de Taller
de Obras Hidráulicas López. Para el análisis cuantitativo también se utilizó la
siguiente ecuación que determina el índice de significancia [15]:
𝑆 = + − (3𝐼𝑁 + 2𝐸𝑋 + 𝑀𝑂 + 𝑃𝐸 + 𝑅𝑉 + 𝑆𝐼 + 𝐴𝐶 + 𝐸𝐹 + 𝑃𝑅 + 𝑀𝐶)
Donde: IN es el grado de incidencia; EX, la Extensión, se refiere al
área de influencia teórica del impacto en relación con el entorno;
MO, el Momento, se refiere
al plazo de la manifestación del impacto; PE, la
Persistencia, se refiere a cuánto dura el impacto; RV, la Reversibilidad, se
refiere a la recuperación del factor afectado
por el proyecto; SI, la Sinergia, se refiere a que dos o más causas
cuyo efecto es superior a la suma de los efectos individuales; AC, la Acumulación, el incremento de la
manifestación del efecto; EF, el Efecto, se refiere a la relación causa-efecto,
PR, la Periodicidad, se refiere
a la regularidad de manifestación del efecto; MC, la Recuperabilidad, o sea, la posibilidad de reconstrucción de la afectación.
La delimitación de la cuenca hidrográfica San
Juan se muestra en la figura 1. Posee un área
de 3335.44 km², un perímetro de 359.69
km y una longitud de 172.19 km. Además, se generó un plano topográfico utilizando archivos DEM y se obtuvieron
curvas de nivel con una equidistancia de 2 metros.
Figura 1.
Delimitación de la cuenca
San Juan y ubicación de la zona de estudio
En la figura 2, se obtuvo
el plano geológico, donde predomina la acumulación de grava, arena, limo y
arcilla con clastos que van de subangulosos a
angulosos de diferente composición [12].
Figura 2.
Plano geológico de la zona de estudio
El estudio hidrológico
proporcionó que el tiempo del retorno mediante los valores máximos recomendados
de riesgo admisible de obras de drenaje, las cuales, para defensas ribereñas, cuentan
con un 25% de vida útil de 40 años [10]. Esto proporcionó un caudal máximo de 1379.63
m3/s. Se identificó el área inundada y a la vez se clasificó las zonas urbanas
y de cultivo que se verían afectadas como se observa en la figura 3. El área verde
es la zona de cultivo y el área amarilla vendría a ser la zona urbana como
resultado un área de 0.115 Km² para la zona de cultivo y un área de 0.042 Km²
para la zona urbana.
Figura 3.
Área inundada divididas en zonas de cultivo y zona urbana
Se estimó que la socavación
en la zona de estudio por el Método de Lacey [13] fue de 5.339 m por debajo del
lecho del río y, por consiguiente, una socavación de 7.299 m por debajo de la
superficie del agua, tal como se muestra en la figura 4.
Figura 4.
Perfil de socavación en el tramo del río
Se analizó de forma estructural el muro de gavión
por el modelo numérico Gawac 3.0 [14]. Se utilizaron los parámetros geotécnicos
que se muestran en la tabla 1 para el procesamiento en el software.
Tabla 1.
Datos para el diseño
de muro de gaviones – Gawac 3.0
En la figura 5, se presentan
los resultados del análisis del estado límite de servicio del muro de gaviones,
el cual nos muestra los diferentes factores de seguridad. La estabilidad global,
el factor deslizamiento y el factor al vuelco alcanzaron valores de 1.27, 3.79
y 3.31 respectivamente. En general, se cumplió lo establecido con la norma E.
020 y criterio de Macaferri.
Figura 5.
Resultados al estado límite de servicio del muro de gaviones
Se utilizaron 7 cajas tipo I (1x1m)
y 10 cajas tipo II (1x1.5m), lo que dio un total de 17 cajas por cada metro de
muro que se usarán para calcular el presupuesto.
Respecto al presupuesto de la obra
de gaviones ecológicos, fue dividida en 4 actividades o partidas principales
con su comparación de los costos que se obtuvieron por actividad, gastos
generales, utilidad e IGV. Como resultado, el armado y relleno de gavión tiene
un mayor costo con un valor de S/.2,771,964.8 y el de menor costo es el trazo y
replanteo con un valor de S/.7,425.44 como se muestra en la figura 6.
Figura 6.
Relación de los costos por cada actividad, GG, utilidad e IGV
En la figura 7, se muestra
el análisis cuantitativo que reflejó que el 70.59% pertenece a impacto negativo
directo, mientras que el 4.9% indica a impacto positivo indirecto. Asimismo, se
indica que se deberían construir muros de gaviones verdes para contrarrestar
los factores negativos.
Figura 7.
Análisis cualitativo de identificación de impactos directos e indirectos
En la figura 8, se muestra el análisis
cuantitativo que reflejó que el 30% pertenece a moderado, mientras que el 2% corresponde
a alto. Estos valores se interpretan como un impacto medio, el cual debe tener
medidas preventivas que ayuden a reducir y recuperar zonas afectadas por la
construcción de gaviones tradicionales.
Figura 8.
Análisis cuantitativo.
Los muros verdes forman parte de una
construcción bioclimática; en este caso, se debería realizar la obra del muro
de gavión y tener una fachada llena de vegetación, la cual brinda los
siguientes beneficios [16]:
-
Purificación del aire: las plantas
ayudan a filtrar
partículas del aire y convierten el CO2 en oxígeno.
-
Reducción de la temperatura del ambiente: las plantas absorben
la luz solar, el 50% se
absorbe y reflejan el 30%; esto ayuda a crear un clima más frío y agradable.
-
Favorece el paisajismo del lugar.
Se obtuvo el caudal máximo para el periodo de retorno de 140 años, que fue de 1379.63 m3/s.
La determinación de la altura del muro de gavión se llevó a cabo mediante
procesos estadísticos y modelos
matemáticos. Dentro de este análisis, el año 1967 se destacó,
marcado por un caudal
máximo excepcional de 1202.58 m3/s en el mes de febrero, atribuido al fenómeno
del Niño. Este evento climático, siendo el principal factor influyente, incidió
significativamente en el diseño del muro. Como resultado de esta evaluación
detallada, se estableció una altura óptima
de 8.0 metros para el muro de gavión, lo que demuestra la importancia de
considerar eventos extremos en el diseño para garantizar una defensa ribereña
efectiva y resiliente frente a condiciones hidrológicas excepcionales.
Se realizó el levantamiento topográfico con la ayuda de cartas
nacionales del río Matagente de 5.00 km lineales
aguas abajo para obtener las curvas de nivel cada 2 metros y, de esa forma,
visualizar las secciones del río. Se obtuvo la cota máxima de la superficie de
75 m.s.n.m, una cota mínima de 68.04 m.s.n.m, y pendiente promedio de la
superficie de 1.4%.
Se obtuvieron resultados
satisfactorios para las solicitudes de esfuerzos en condiciones dinámicas de la
estructura. Además, se realizó un presupuesto base de los muros de gaviones y
se obtuvo un precio final de construcción de S/.6.699.633,85 soles (Seis
millones seiscientos noventa y nueve mil seiscientos treinta y tres con
85/100).
[1] Ministerio de Ambiente. El fenómeno EL NIÑO en
el Perú. 1era Edición. Lima; 2014.
[2] Agencia de Cooperación Internacional del Japón, “Estudio
Básico de la Demanda de Control
de Inundaciones en la República del Perú”, 2017,
Estudio Básico de la Demanda
de Control de Inundaciones en
la República del Perú, Perú, Autoridad Nacional del Agua.
[3] Palomino, C &
Vinatea, B. “Evaluación de la defensa
ribereña mediante muros
de contención de concreto
reforzado con la adición de fibras de plástico reciclado contra inundaciones en el sector de Cuspanca y la quebrada
Acopaya, Huarochirí – Lima”. Repositorio Académico UPC. Disponible
en: https://upc.aws.openrepository.com/bitstream/handle/10757/668416/Palomino_SC.pdf?sequence=17&isAllowed=y
[4] Instituto Geofísico del Perú, “Análisis
y evaluación histórica
del fenómeno el niño en lima metropolitana: un aporte a la gestión
del riesgo de desastres”, Ministerio del Ambiente, Lima - Perú,
Informe Técnico
N°027-2022/IGP ciencias de la tierra sólida, agosto de 2022.
[5] Autoridad Nacional del Agua,
“Delimitación de la Faja Marginal del Río Matagente”, Ministerio de
Agricultura, Lima - Perú, Resumen Ejecutivo, 1999.
[6] Autoridad Nacional del Agua, “Informe de estimación por peligro
inminente limpieza, descolmatación y conformación de dique con material propio,
en ambas márgenes del río Matagente, sector Chacarilla, distrito el Carmen,
provincia de Chincha, departamento de Ica”, Ica - Perú, 2023.
[7] Santana H. & Lima P., “Propuesta de obra para el control
de inundaciones en la cuenca baja
del río Portoviejo, sector el Horcón - Ceibal, cantón
Rocafuerte - Manabí
– Ecuador”, Polo
Del Conoc., vol. 6, n.º 9, agosto de 2021.
[8] C. Martínez, “Muro de
contención tipo gavión con botellas plásticas PET rellenas de residuos de
construcción y demolición.”, Trabajo de Grado, Fund. Univ. Juan Castanos,
Tunja, 2020.
[9] Gobierno del Perú, "Instituto Nacional de Estadística e Informática - INEI," Accedido
el 26 de noviembre de 2023.
Disponible en: https://www.gob.pe/inei/
[10] Ministerio de Transportes y Comunicaciones, “Manual de hidrología,
hidráulica y drenajes" Accedido el 26 de noviembre del 2023. Disponible en:
https://spij.minjus.gob.pe/Graficos/Peru/2011/Octubre/10/RD-20-2011-MTC-14.pdf
[11] “Inicio - Instituto CAPECO Líderes en Construcción”. Instituto CAPECO. Accedido el 28
de noviembre de 2023. [En línea]. Disponible en: https://capeco.edu.pe/
[12] Instituto Geológico Minero y. Metalúrgico. “GEOCATMIN”. GEOCATMIN. Disponible en: https://geocatmin.ingemmet.gob.pe/geocatmin/
[13] “Cálculo de Socavación General en Ríos”, Cálculo de Socavación
General en Ríos - Fórmula de Lacey.
[14] G. Gustavo Pinto, GAWAC 3.0 User
Guide Manual, vol. 1. MACCAFERRI Eng. better solution, 2021.
[15] Metodología para el Cálculo de
las Matrices Ambientales. (2015, enero). Hidroar S.A. Disponible en: https://www.ambiente.chubut.gov.ar/wpcontent/uploads/2015/01/-Metodolog%C3%ADa-para-el-Calculo-de-las-Matrices- Ambientales.pdf
[16] Beneficios de los muros
vegetales en las ciudades. (s.f.).
Energía y medio ambiente - Todo
sobre energías renovables y sociedad. Disponible
en: https://www.energia- medioambiente.com/beneficios-de-los-muros-vegetales-en-las-ciudades/
Trayectoria académica
Manuel Alejandro Custodio
Salas
Estudiante del curso Taller de Obras Hidráulicas
en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Ricardo Palma.
Autora corresponsal: manuel.custodio@urp.edu.pe
Orcid: https://orcid.org/0009-0000-7653-7662
Lucy Gabriela Ayala Prado
Estudiante del curso Taller de Obras Hidráulicas
en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Ricardo Palma.
https://orcid.org/0009-0007-9557-5155
Óscar Rojas Hernández
Estudiante del curso Taller de Obras Hidráulicas
en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Ricardo Palma.
https://orcid.org/0009-0004-7163-9191
Percy Raúl Castro Vásquez
Estudiante del curso Taller de Obras Hidráulicas
en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Ricardo Palma.
https://orcid.org/0009-0002-0759-0456
Gustavo Antezana Quiroz
Estudiante del curso Taller de Obras Hidráulicas
en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Ricardo Palma.
https://orcid.org/0009-0004-5508-8473
Maiquel López
Silva
Profesor del curso de Taller
de Obras Hidráulicas en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Ricardo
Palma.
https://orcid.org/0000-0002-0946-6160
Contribución de autoría
Manuel Alejandro Custodio
Salas: Recolección de datos.
Lucy Gabriela Ayala Prado: Análisis y procesamiento de datos.
Óscar Rojas Hernández: Procesamiento de datos.
Percy Raúl Castro Vásquez: Interpretación de datos.
Gustavo Antezana Quiroz: Modelamiento y análisis estadístico.
Maiquel López
Silva: Escritura y edición del
manuscrito.
Conflicto de intereses
Los autores declaran que no existe conflicto de
intereses en el desarrollo de la presente investigación.
Responsabilidad ética y legal
El desarrollo de la investigación se realizó bajo la
conformidad de los principios éticos del conocimiento, respetando la
originalidad de la información y su autenticidad.
Declaración
sobre el uso de LLM (Large Language Model)
Este
artículo no ha utilizado para su redacción textos provenientes de LLM (ChatGPT u otros)
Financiamiento
La presente investigación ha sido realizada con
recursos propios de los coautores de la investigación.
Agradecimiento
Agradecimiento a la Facultad de Ingeniería de la URP.
Correspondencia: manuel.custodio@urp.edu.pe