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This article develops and shows the different technologies for flood control.

Floods are the most frequent cause of disasters in Latin America and cause great economic losses. Their frequency and magnitude tend to increase due to disorderly population growth and deficiencies in governance, this situation could be aggravated due to climate change.

The authorities and communities perceive the need to face this danger; however, often, their prevention strategy is limited to installing physical barriers on banks or ravines to prevent overflows and protect homes, but without an adequate overall vision. The truth is that the different techniques available to reduce the vulnerability of the population are not used. This document describes the different technologies that can be used throughout the basin.

VEGETATION COVER

Conserving and expanding forests is not only important for sequestering carbon and mitigating climate change, but also reduces the risk of flooding. The forest works like a sponge that retains a part of the water from rainfall.

This makes it possible for it to flow slowly towards the lower areas of the basin, either on the surface or infiltrating the earth and then emerging in the water holes. On the contrary, when the soil loses its vegetation cover, rainwater flows more easily, erodes the surface, destroys fertile land and accelerates the desertification process. At the same time, when a natural barrier is removed, the drained volume is concentrated in less time, which abruptly increases the flows in streams and rivers. This increases the possibility of landslides, landslides and floods.

Measures aimed at restoring and protecting vegetation cover include more actions than planting trees and controlling indiscriminate logging. In fact, the concept of forest is not limited to trees alone. It includes three layers that interact in an often delicate balance and that must be taken into account in planning:

• Lower stratum: mosses, fungi and herbs.
• Middle stratum: shrubs, young trees and trunks of the largest trees.
• Upper stratum: the tops of the largest trees.

Adequate forest management must include the planting of native vegetation, that which is most suitable for the conditions of the soil and humidity. Both in the upper and lower parts of the riverine belt, these native species can help to regenerate the channels and prevent the overflow of the rivers.

In the district of Zurite, province of Anta, Cusco region, a public investment project aimed at protection against floods has included the recovery of vegetation cover among its components.

In order to reduce surface runoff in the Ramushaca River micro-basin, the construction of a forest nursery and the production of 400,000 forest seedlings were planned to reforest the slopes. In addition, it was planned to fence the plantations with barbed wire, install a protection massif and sow pastures where necessary. The project was declared viable in April 2013.

Although actions focused on vegetation cover have the advantage of reducing flood peaks, they have a limitation: they are difficult to apply in large areas of land, so they are mainly useful in small basins.

Riparian crops

Riverside agriculture often causes deforestation; however, it is possible to sustainably combine wild vegetation with riparian crops. By recovering traditional knowledge, often abandoned, farmers can produce, for example, fruit trees by alternating their crops with forest areas.

RESERVOIRS

Water reservoirs or reservoirs can serve different purposes. Some of the best known are to ensure the supply of this resource for human consumption or irrigation, and to generate electricity. However, this technology can also be used for flood control in
order to reduce the risk of flooding.

The concept is simple: in flood time, the reservoir retains significant volumes of water, which reduces peaks and prevents flooding downstream of the dam. According to Carlos Tucci, who has been a professor at the Institute of Research in Hydrology of the Federal University of Rio Grande do Sul, Brazil, the reservoir must operate in such a way that the natural flow drains until the limit level is reached downstream. From then on, the volume of the reservoir is used to maintain or reduce the flow.

When the reservoir has gates, it is said to be one with operation control. The gates allow the available volume to be used more frequently to regulate floods.

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The objective of buffering floods in riparian areas will be achieved to the extent that no operational problems occur. However, there may be occasions, in rainy periods, when the reservoir fails to buffer the flow and flooding occurs. In such cases, public opinion tends to blame the dam for the emergency. For all these reasons, it is essential to guarantee an efficient operation, which requires soil studies and the implementation of measures that reduce the risk of release and fractures in their structures. These precautions should be combined with a hazard map and an early warning system that uses reliable hydrological data.

Although reservoirs can be built for the exclusive purpose of preventing flooding, there are others for multiple uses. In this regard, it must be taken into account that dams designed for water supply, irrigation or electricity generation usually require keeping the volume of water as high as possible, which leaves little room for flood buffering. To remedy this conflict, a holding volume is usually reserved in the reservoir to contain floods and reduce the flow downstream.

MUD PLATFORMS OR COURTS

Another technology that can reduce the vulnerability of the population is mud platforms or courts. These contribute to the control of alluvium by mass removal. It is a structural measure that retains mud from the flow of a river and slows its advance downstream. To describe it in simple terms, it consists of flattening the ground, which can be complemented with a pavement.

These platforms are installed where there is a danger of soil erosion. It can be on the riverbed itself or next to the riverbed, in which case a channeling is required. The latter is what has been applied in a project of which we have already referred: “Installation and improvement of protection services against alluvium in the micro-basin of Ramuschaca, in the district of Zurite, province of Anta, Cusco region”. The project, which is already underway, includes an entrance structure and terraces for the retention of sludge itself. The inlet structure is designed to let water pass through smoothly while diverting mud to one of the riverbanks. A system of rails placed in the channel would block the advance of an eventual flood and would divert it towards the terraces, composed of embankments with slopes on both sides.

POWER SINKS

The force with which the water of the river descends along the basin has the potential to erode and undermine the channel, in addition to the dams and other hydraulic works that may have been installed. This force also implies a greater risk of destruction in the event of floods or floods. To mitigate it, kinetic energy dissipators are used, structures that alter the speed of the flow or prevent its direct impact on the bed. Its design depends on the characteristics of the channel and its vulnerability to erosion. Although masonry can be used, it is common to build the heatsinks in reinforced concrete.

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There are several types of power sinks. Among them are the following:

to. Hydraulic jump or overhang

The name comes from a physical phenomenon that consists of the rise in the water level when the speed of the flow is reduced, which goes from a supercritical (fast) to a subcritical (low) regime. Under these conditions, water loses kinetic energy and generally dissipates it in the form of heat.

This effect is achieved, in a fast current, with the installation of an obstacle or a sudden change in slope. The area in which the hydraulic jump occurs is called the hydraulic cushion. Its extent and depth are defined based on an indicator called the Froude number. This relates the effect of inertial forces and gravity forces acting on a fluid.

b. Buffer pool or pond

A technology that is often used in conjunction with hydraulic jumps are buffer ponds, which are required when the desired energy dissipation is not achieved naturally. The water falls vertically into the pond. The energy is dissipated by this shock and the eddies that are formed by the change in direction of the current.

To achieve the desired effect (in hydrological terms, to compensate for the deficit between the downstream stay and the conjugate stay necessary for the hydraulic jump), the floor can be deepened, a bottom crossbar can be built, the bottom slab can be increased, the section width is reduced, or the slope of the bottom slab can be reduced.

When building buffer ponds, the erosive power of the water must be taken into account, so the channel must be covered with rocks or concrete. Wear and tear requires periodic maintenance. In Zurite, Cusco, the second action foreseen in the flood protection project was the construction of energy dissipators. 26 hydraulic jumps built with gabion were planned, in addition to a buffer pool.

c. Infrastructure related to debris flows and hyper-concentrated flows

Some energy dissipators target debris flows, commonly called huaycos in Peru, and hyperconcentrated flows. The latter are very fast movements of a flood of water, which drags a large amount of loose materials along a channel. Its capacity for damage is similar to that of a flood.

Among these dissipators we can mention the SABO dams, which have been used for more than a century in Japan. Dams are raised in high areas to accumulate sediment and prevent debris flows. Built with steel and concrete, these structures dissipate impact energy and filter sediments, which accumulate like a reservoir, while letting water pass through. “In this way, under normal conditions, the flow of sediments is allowed without affecting fluvial dynamics
, but in episodes of large sediment flow, they will be temporarily stopped by the dam to prevent downstream disasters” (Gómez 2012: 3).

A variant is open concrete dams. This technology consists of installing column-type barriers or piles within drainage channels in order to retain sediment and debris. The document “Mass movements in the Andean region: a guide for threat assessment” describes the use of this technique in an area that was severely affected by mass movements: Vargas State, in Venezuela. Torrential flows triggered by heavy rains killed 15,000 people in December 1999.

In eleven of the affected basins, dams have been built, some closed and others open, to prevent new disasters. In subsequent episodes of heavy rainfall, it was possible to verify the effectiveness of open dams in stopping the passage of sediments and even tree trunks. The “Allies against floods” project, of which Soluciones Prácticas is a part, is also promoting the use of this technology, which reduces the destructive power of huaycos and, in addition, offers the advantage of a low installation cost.

Another economic alternative, disseminated by the aforementioned project, are flexible barriers with ring networks. In this case, meshes formed by interlocking metal rings are installed, anchored to both banks of the drainage channel, so that they are perpendicular to the current.

Designed for huaycos, these barriers resist high static and dynamic loads. They dissipate the energy of solids dynamically and allow the passage of flows to be reduced. They have been tested in full-scale tests and under real conditions, and have thus demonstrated their functional capacity. They can be installed with few materials and little labor, saving costs and time.

The “Flood Allies” project is building infrastructure linked to hyper-concentrated flows, such as flexible barriers, in the Rimac River basin, as part of its interventions in favor of the communities of María Auxiliadora and María Parado de Bellido, in the district of Chosica, Lima.

RIBER CONTROLLERS

One of the most widely used measures in the country to reduce the risk of flooding is to install barriers that protect population centers in floods. These barriers are called riparian controllers.

Its functions are as follows:

• Reduce the speed of the current near the shore.
• Divert the current from the shore in case of overflows.
• Prevent erosion of river banks.
• Establish and maintain a fixed width for the river.
• Stabilise the riverbed.
• Control meander migration.

As the geomorphology is different on the coast than in the other regions of Peru, the construction of the controllers depends on the characteristics of the basin. This is a technical process, which requires hydrological and geomorphological studies to be carried out in those sections of the river that suffer erosion and overflows.

DOWNLOAD THE PUBLICATION HERE: FACT SHEET: FLOOD CONTROL TECHNOLOGIES IN THE CONTEXT OF WATERSHEDS

Source: Practical Solutions

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Tecnologías para el control de inundaciones en el contexto de cuencas

El presente artículo desarrolla y muestra las diferentes tecnologías para el control de inundaciones.

Las inundaciones son la causa de desastre más frecuente en América Latina y ocasionan grandes pérdidas económicas. Su frecuencia y magnitud tienden a aumentar debido al crecimiento desordenado de la población y a las deficiencias en la gobernabilidad, esta situación podría agravarse debido al cambio climático.

Las autoridades y las comunidades perciben la necesidad de enfrentar este peligro; sin embargo, a menudo, su estrategia de prevención se limita a instalar barreras físicas en las riberas o quebradas para evitar los desbordes y proteger las viviendas, pero sin una adecuada visión de conjunto. Lo cierto es que no se aprovechan las distintas técnicas disponibles para reducir la vulnerabilidad de la población. En el presente documento se describen las diferentes tecnologías que pueden emplearse a lo largo de la cuenca.

COBERTURA VEGETAL

Conservar y ampliar los bosques no solo resulta importante para capturar el carbono y mitigar el cambio climático, además reduce el riesgo de inundaciones. El bosque funciona como una esponja que retiene una parte del agua de las precipitaciones.

Ello hace posible que esta discurra lentamente hacia las zonas más bajas de la cuenca, ya sea sobre la superficie o infiltrándose en la tierra para aflorar después en los ojos de agua. Por el contrario, cuando el suelo pierde su cobertura vegetal, el agua de lluvia discurre con mayor facilidad, erosiona la superficie, destruye la tierra fértil y acelera el proceso de desertificación. Al mismo tiempo, al eliminarse una barrera natural, el volumen escurrido se concentra en menor tiempo, lo que aumenta abruptamente los caudales en las quebradas y en los ríos. Ello eleva la posibilidad de que ocurran deslizamientos, huaycos e inundaciones.

Las medidas orientadas a restituir y resguardar la cobertura vegetal abarcan más acciones que plantar árboles y controlar la tala indiscriminada. De hecho, el concepto de bosque no se limita solo a los árboles. Incluye tres estratos que interactúan en un equilibrio muchas veces delicado y que deben ser tomados en cuenta en la planificación:

• Estrato bajo: musgos, hongos y hierbas.
• Estrato medio: arbustos, árboles jóvenes y troncos de los árboles mayores.
• Estrato alto: las copas de los árboles de mayor tamaño.

Una adecuada gestión de bosques debe contemplar el sembrado de vegetación nativa, aquella que resulta más adecuada para las condiciones del terreno y de la humedad. Tanto en las partes altas como en las zonas bajas de la faja ribereña, estas especies nativas pueden ayudar a regenerar los cauces y a evitar el desborde de los ríos.

En el distrito de Zurite, provincia de Anta, región Cusco, un proyecto de inversión pública orientado a la protección contra aluviones ha incluido la recuperación de la cobertura vegetal entre sus componentes.

Con el objetivo de disminuir la escorrentía superficial en la microcuenca del río Ramushaca, se previó la construcción de un vivero forestal y la producción de 400.000 plantones forestales a fin de reforestar las laderas. Además, se planificó cercar las plantaciones con alambres de púa, instalar un macizo de protección y sembrar pastos donde hiciera falta. El proyecto fue declarado viable en abril del 2013.

Aunque las acciones enfocadas en la cobertura vegetal tienen la ventaja de reducir los picos de las crecidas, presentan una limitación: son difíciles de aplicar en grandes extensiones de terreno, por lo que sirven sobre todo en cuencas pequeñas.

Cultivos ribereños

La agricultura practicada en las riberas de los ríos suele causar deforestación; sin embargo, es posible combinar de forma sostenible la vegetación silvestre con cultivos ribereños. Recuperando conocimientos tradicionales, muchas veces abandonados, los agricultores pueden producir, por ejemplo, árboles frutales alternando sus cultivos con áreas forestales.

RESERVORIOS

Los reservorios o embalses de aguas pueden servir para distintos fines. Algunos de los más conocidos son asegurar el abastecimiento de este recurso para el consumo humano o para la irrigación, y generar energía eléctrica. Sin embargo, esta tecnología también puede destinarse al control de avenidas con el
objeto de reducir el riesgo de inundaciones.

El concepto es sencillo: en tiempo de crecida, el reservorio retiene importantes volúmenes de agua, lo que reduce los picos y evita las inundaciones aguas abajo de la presa. Según explica Carlos Tucci, quien ha sido profesor del Instituto de Investigación en Hidrología de la Universidad Federal de Rio Grande do Sul, Brasil, el reservorio debe operar de modo que escurra el caudal natural hasta que aguas abajo se alcance la cota límite. A partir de entonces, se emplea el volumen del embalse para mantener o reducir el caudal.

Cuando el reservorio tiene compuertas, se dice que se trata de uno con control de operación. Las compuertas permiten utilizar con mayor frecuencia el volumen disponible para regular las crecidas.

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El objetivo de amortiguar las crecidas en las zonas ribereñas se alcanzará en la medida en que no ocurran problemas operacionales. Sin embargo, pueden presentarse ocasiones, en periodos lluviosos, en los que el embalse no consiga amortiguar el caudal y se produzcan inundaciones. En esos casos, la opinión pública tiende a culpar a la presa por la emergencia. Por todo ello, resulta fundamental garantizar una operación eficiente, lo que exige estudios de suelos y la implementación de medidas que reduzcan el riesgo de desembalse y fracturas en sus estructuras. Estas precauciones se deben combinar con un mapa de riesgos y con un sistema de alerta temprana que utilice datos hidrológicos confiables.

Si bien pueden construirse reservorios con el fin exclusivo de prevenir inundaciones, existen otros de uso múltiple. Al respecto, hay que tomar en cuenta que las presas proyectadas para el abastecimiento de agua, la irrigación o la generación eléctrica normalmente requieren mantener el volumen de agua lo más alto posible, lo que deja poco margen para la amortiguación de inundaciones. Para remediar ese conflicto, se suele reservar un volumen de espera en el reservorio para contener las inundaciones y reducir el caudal aguas abajo.

PLATAFORMAS O CANCHAS DE LODO

Otra tecnología que puede reducir la vulnerabilidad de la población son las plataformas o canchas de lodo. Estas contribuyen al control de aluviones por remoción de masas. Se trata de una medida estructural que retiene el lodo del caudal de un río y frena su avance aguas abajo. Para describirlo en términos sencillos, consiste en aplanar el suelo, lo cual puede complementarse con un empedrado.

Estas plataformas se instalan donde existe peligro de que se erosione el suelo. Puede ser sobre el mismo lecho del río o al lado del cauce, en cuyo caso se requiere una canalización. Esto último es lo que se ha aplicado en un proyecto del que ya hemos hecho referencia: “Instalación y mejoramiento de los servicios de protección ante aluviones en la microcuenca de Ramuschaca, del distrito de Zurite, provincia de Anta, región Cusco”. El proyecto, que ya está en ejecución, incluye una estructura de entrada y terrazas destinadas a la retención de lodos propiamente dicha. La estructura de entrada está diseñada para dejar pasar el agua sin problemas mientras desvía el lodo hacia una de las orillas del río. Un sistema de rieles colocado en el cauce trabaría el avance de un eventual aluvión y lo derivaría hacia las terrazas, compuestas por terraplenes con taludes a ambos lados.

DISIPADORES DE ENERGÍA

La fuerza con la que desciende el agua del río a lo largo de la cuenca tiene el potencial de erosionar y socavar el cauce, además de las presas y otras obras hidráulicas que hayan podido ser instaladas. Dicha fuerza implica además un mayor riesgo de destrucción en caso de inundaciones o aluviones. Para mitigarla, se recurre a los disipadores de energía cinética, estructuras que alteran la velocidad del flujo o que evitan su impacto directo en el lecho. Su diseño depende de las características del cauce y e su vulnerabilidad a la erosión. Aunque puede emplearse la mampostería, es frecuente construir los disipadores en concreto armado.

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Existen varios tipos de disipadores de energía. Entre ellos destacan los siguientes:

a. Salto o resalto hidráulico

El nombre proviene de un fenómeno físico que consiste en la elevación del nivel del agua cuando se reduce la velocidad del flujo, que pasa de un régimen supercrítico (rápido) a uno subcrítico (bajo). En estas condiciones el agua pierde energía cinética y generalmente la disipa en forma de calor.

Este efecto se consigue, en una corriente rápida, con la instalación de algún obstáculo o un cambio brusco de pendiente. El área en que se presenta el salto hidráulico se denomina colchón hidráulico. Su extensión y profundidad se definen en función de un indicador llamado número de Froude. Este relaciona el efecto de las fuerzas de inercia y las de gravedad que actúan sobre un fluido.

b. Poza o estanque de amortiguamiento

Una tecnología que a menudo se utiliza en simultáneo a los saltos hidráulicos son los estanques o pozas de amortiguamiento, los cuales se requieren cuando no se consigue la disipación de energía deseada de forma natural. El agua cae verticalmente sobre el estanque. La energía se disipa mediante ese choque y los remolinos que se forman por el cambio de dirección de la corriente.

Para lograr el efecto deseado (en términos hidrológicos, para compensar el déficit entre el tirante de aguas abajo y el tirante conjugado necesario para el salto hidráulico), se puede profundizar el piso, construir un travesaño de fondo, elevar la rigurosidad de la losa de fondo, disminuir el ancho de sección o reducir la pendiente de la losa de fondo.

Al construir estanques de amortiguamiento se debe tomar en cuenta el poder erosivo del agua, por lo que se debe recubrir el cauce con rocas o concreto. El desgaste obliga a un mantenimiento periódico. En Zurite, Cusco, la segunda acción prevista en el proyecto de protección contra los aluviones fue la construcción de disipadores de energía. Se planificaron 26 saltos hidráulicos construidos con gaviones, además de una poza de amortiguamiento.

c. Infraestructura relacionada a flujos de detritos y a flujos hiperconcentrados

Algunos disipadores de energía se orientan a los flujos de detritos, llamados comúnmente huaycos en el Perú, y a los flujos hiperconcentrados. Estos últimos son movimientos muy rápidos de una crecida de agua, la cual arrastra una gran cantidad de materiales sueltos a lo largo de un canal. Su capacidad de daño es similar a la de una inundación.

Entre dichos disipadores podemos mencionar las presas SABO, que se emplean desde hace más de un siglo en Japón. Las presas se levantan en las zonas altas para acumular los sedimentos y evitar los flujos de detritos. Construidas con acero y concreto, estas estructuras disipan la energía por impacto y filtran los sedimentos, que se acumulan como un embalse, mientras dejan pasar el agua. “De esta forma bajo condiciones normales se permite el flujo de los sedimentos sin afectar la dinámica
fluvial, pero en episodios de gran flujo de sedimentos, estos serán detenidos temporalmente por la presa para prevenir desastres aguas abajo” (Gómez 2012: 3).

Una variante son las presas abiertas de concreto. Esta tecnología consiste en instalar barreras tipo columnas o pilotes dentro de los canales de drenaje a fin de retener sedimentos y escombros. En el documento “Movimientos en masa en la región andina: una guía para la evaluación de amenazas”, se describe el uso de esta técnica en una zona que fue gravemente castigada por movimientos en masa: el Estado Vargas, en Venezuela. En dicho lugar, flujos torrenciales detonados por fuertes lluvias causaron la muerte de 15.000 personas en diciembre de 1999.

En once de las cuencas afectadas se han construido presas, algunas cerradas y otras abiertas, para prevenir nuevos desastres. En posteriores episodios de lluvias intensas, se pudo comprobar la eficacia de las presas abiertas para frenar el paso de sedimentos e, incluso, de troncos de árboles. El proyecto “Aliados ante inundaciones”, del que forma parte Soluciones Prácticas, también está promoviendo el uso de esta tecnología, la cual reduce el poder destructivo de los huaycos y, además, ofrece la ventaja de un bajo costo de instalación.

Otra alternativa económica, difundida por el mencionado proyecto, son las barreras flexibles con red de anillos. En este caso, se instalan unas mallas formadas por anillos metálicos entrelazados, ancladas a ambas orillas del canal de drenaje, de modo que queden perpendiculares a la corriente.

Diseñadas para huaycos, estas barreras resisten cargas estáticas y dinámicas elevadas. Disipan la energía de los sólidos de forma dinámica y permiten el paso reducido de flujos. Han sido probadas en ensayos a escala natural y en condiciones reales, y han demostrado de ese modo su capacidad funcional. Pueden instalarse con pocos materiales y escasa mano de obra, lo que supone un ahorro de costos y de tiempo.

El proyecto “Aliados ante inundaciones” está construyendo infraestructura vinculada a flujos hiperconcentrados, como las barreras flexibles, en la cuenca del río Rímac, como parte de sus intervenciones a favor de las comunidades María Auxiliadora y María Parado de Bellido, del distrito de Chosica, Lima.

CONTROLADORES RIBEREÑOS

Una de las medidas más usadas en el país para reducir el riesgo de inundaciones es instalar barreras que protejan a los centros poblados en las crecidas. A estas barreras se las denomina controladores ribereños.

Sus funciones son las siguientes:

• Reducir la velocidad de la corriente cerca de la orilla.
• Desviar la corriente de la orilla en caso de desbordes.
• Prevenir la erosión de las márgenes del río.
• Establecer y mantener un ancho fijo para el río.
• Estabilizar el cauce fluvial.
• Controlar la migración de meandros.

Como la geomorfología es distinta en la costa que en las demás regiones del Perú, la construcción de los controladores depende de las características de la cuenca. Se trata de un proceso técnico, el cual exige realizar estudios hidrológicos y geomorfológicos en aquellos tramos del río que sufren erosión y desbordes.

DESCARGAR LA PUBLICACIÓN AQUÍ: FICHA TÉCNICA: TECNOLOGÍAS PARA EL CONTROL DE INUNDACIONES EN EL CONTEXTO DE CUENCAS

Fuente: Soluciones Prácticas