Modelamiento hidrológico e hidráulico para el dimensionamiento de diques de encauzamiento en el río Vilcanota tramo 188+300 al 193+300, Cusco

Abstract

Las inundaciones y la erosión fluvial ocasionadas por las máximas avenidas del río Vilcanota representan un riesgo constante para la población, la infraestructura vial y las áreas agrícolas de los distritos de Pisac y San Salvador (Cusco). La presente investigación tiene como objetivo principal modelar hidrológica e hidráulicamente el tramo comprendido entre las progresivas 188+300 y 193+300 para dimensionar diques de encauzamiento. La metodología abarcó la delimitación de la cuenca hasta el punto de control (estación Pisac) a partir de un Modelo Digital de Elevación (DEM), el análisis de precipitaciones máximas y la simulación hidrológica mediante HEC-HMS. El modelo hidrológico fue calibrado satisfactoriamente, obteniendo un coeficiente Nash-Sutcliffe de 0.825 y un PBIAS de 6.73%, lo que permitió generar caudales de diseño de 1162.767 m³/s y 1527.164 m³/s para periodos de retorno de 100 y 500 años, respectivamente. Posteriormente, el tránsito de la avenida se simuló bidimensionalmente en el software Iber, calibrando la rugosidad de Manning hasta lograr una variación absoluta menor a 0.15 m respecto a los niveles de agua observados y obteniendo indicadores estadísticos de RMSE 0.065 m, MAE 0.056 m y PBIAS -2.95%. Los resultados hidrodinámicos para un periodo de retorno de 100 años evidenciaron el desborde del cauce en condiciones naturales con un ancho de hasta 400 m, por lo que se propuso el diseño de diques de enrocado, estructuras flexibles con alta capacidad de disipación de energía. El dimensionamiento geométrico determinó un ancho de corona de 4.0 m, borde libre de 1.0 m y profundidad de socavación de 2.5 m. La inclusión de estas estructuras en el modelo Iber demostró que logran contener eficazmente el flujo para un periodo de retorno de 100 años, evitando la inundación.

Flooding and fluvial erosion caused by the peak flood events of the Vilcanota River represent a constant risk to the population, road infrastructure, and agricultural areas of the Pisac and San Salvador districts (Cusco). The main objective of this research is to hydrologically and hydraulically model the reach between chainages 188+300 and 193+300 to dimension channelization dikes. The methodology encompassed the watershed delineation down to the control point (Pisac station) using a Digital Elevation Model (DEM), the analysis of maximum precipitations, and the hydrological simulation using HEC-HMS. The hydrological model was satisfactorily calibrated, obtaining a Nash-Sutcliffe efficiency coefficient of 0.825 and a PBIAS of 6.73%, which allowed the generation of design flows of 1162.767 m³/s and 1527.164 m³/s for return periods of 100 and 500 years, respectively. Subsequently, the flood routing was simulated in two dimensions using the Iber software, calibrating the Manning's roughness coefficient until achieving an absolute variation of less than 0.15 m compared to the observed water levels, obtaining statistical indicators of RMSE 0.065 m, MAE 0.056 m, and PBIAS -2.95%. The hydrodynamic results for a 100-year return period evidenced channel overflow under natural conditions reaching a width of up to 400 m; therefore, the design of riprap dikes was proposed, which are flexible structures with a high energy dissipation capacity. The geometric dimensioning determined a crest width of 4.0 m, a freeboard of 1.0 m, and a scour depth of 2.5 m. The inclusion of these structures in the Iber model demonstrated that they effectively contain the flow for a 100-year return period, preventing flooding.