1.- INTRODUCCIÓN

Para describir de una manera breve, la problemática de las inundaciones en la Ciudad de Asunción y en Gran Asunción se divide en dos grandes grupos, el primer grupo comprendido por las inundaciones fluviales producidas por un aumento del nivel en el Río Paraguay, bien identificables y más estudiadas, y un segundo grupo, las producidas en el centro urbano, un poco más alejado de la ribera del Río Paraguay, no relacionadas directamente con el desborde de éste, inundaciones producidas por el exceso de la escorrentía de precipitaciones denominadas pluviales, influenciadas o no por el desbordamiento de arroyos urbanos, agravadas por la urbanización y su impermeabilización, además de las infraestructuras pluviales inadecuadas y en algunos casos, inexistentes. Inundaciones que plantean la problemática estudiada en este trabajo, generación de flujos torrenciales generalmente llamados como raudales que escurren en las calles y veredas, usando tales vías como grandes canales, y pueden generar el arrastre de personas y/o vehículos que se encuentren en ellas.

Investigadores hacen mención que este tipo de inundación urbana se registra históricamente, recién en la década del 60 del siglo pasado en países desarrollados; en países subdesarrollados o en vías de desarrollo como el nuestro, en el año 2003, recién se comenzaba a enfatizar de este tipo de problemas¹.

Haciendo referencia tan solo a un día de diciembre del 2015, Rafael Valdez² cita en un artículo del diario ABC color “Al menos dos muertos, ambos niños, y casi 40 atrapados en medio de los raudales fue el saldo del temporal que azotó hoy Asunción y el departamento Central”, señala la situación de los raudales que existen a menudo en nuestro medio.

De este modo es necesario, al describir el peligro de las inundaciones, enfocarnos que los niveles alcanzados por el agua, no deben ser el único parámetro de análisis si no que estos deben combinarse a las velocidades de los flujos que se generan³ en especial los flujos que podrían estar en contacto a los usuarios de la vía pública, ya que estos dos parámetros son los que generan inestabilidades.

Existen dos mecanismos de inestabilidad de objetos en flujos, sean ellos personas o vehículos sumergidos, por deslizamiento y vuelco. Considerando que el cuerpo ya se encuentra sumergido y quieto en el flujo, en general para bajos niveles de agua y altas velocidades se producirá primero el deslizamiento por el predominio de la fuerza de arrastre del agua ante la fuerza de rozamiento, mientras que para altos niveles y bajas velocidades se producirá el vuelco debido a que el momento producido por la fuerza de arrastre del agua, la flotabilidad y sustentación es mayor al momento producido por el peso alrededor del punto de giro. El modelo conceptual simplificado se observa en la Figura 1.

Izquierda: Inestabilidad por Vuelco. Derecha: Inestabilidad por Deslizamiento. 

Este estudio analiza flujos en los que prevalece un régimen super crítico de niveles bajos, que registran altas velocidades y podrían provocar el arrastre por deslizamiento de personas y vehículos en calles, y generalmente a simple vista por los niveles relativamente bajos que se presentan, aún no son alarmantes para los usuarios de la vía pública.

Estudios recientes demuestran el peligro que conllevan este tipo de flujos, donde niveles de agua bajos entre 10cm y 40cm provocan inestabilidades con velocidades en el orden de 3m/s a 1m/s en vehículos^4,5 y en personas en el orden de 3.5m/s a 1.5m/s respectivamente^6,9.

2.- METODOLOGÍA

El Raudal o Avenida que acá se analiza fue el ocurrido en la ciudad de Ñemby el 28 de enero del 2018, sobre la Av. de la Victoria, Tape Guazú casi Manuel Ortiz Guerrero, en la zona punteada de la Figura 2. Éste fue provocado por una precipitación acumulada registrada de 47mm, con pico a los 10min aproximadamente y una considerable duración del evento de 50min.

Figura 2: Planta General de Localización y Ubicación. Imágenes de fondo de Google Maps. 

La metodología utilizada fue la misma planteada en¹⁰ dividiéndose de este modo en dos partes, la primera el procesamiento de imágenes y la segunda las simulaciones CFD. Ambas aplicadas de una manera muy particular y satisfactoria.

2.2.- SimulaciónCFD

La Simulación CFD se realizó con la ayuda del software Open FOAM, con su solucionador inter FOAM (14), y el modelo de cierre de turbulencia k- ε estándar. Este considera el fluido como bifásico, agua aire, resolviendo por volúmenes finitos las ecuaciones 1, 2, 3 y 4 de gobierno a continuación

Continuidad:

Momentum:

Siendo (x, y z) el vector posición, (u, v, w) el vector velocidad, t el tiempo, p la densidad, u la viscosidad y g la gravedad.

La discretización espacial se realizó con la ayuda del software SALOME 8.2. con mallas estructuradas tetraédricas irregulares.

Las condiciones de contorno impuestas fueron caudales y niveles aguas arriba, y condición libre aguas abajo. El caudal utilizado no era constante en toda la sección transversal de entrada, y variaba transversalmente de magnitud según la distribución de velocidades que se encontraron en la técnica LSPIV, de modo que se transfiera la tridimensionalidad que tenía el flujo aguas arriba sin tener que extender excesivamente en el dominio¹⁰. Se simularon impermanentes distintos entre simulaciones, con niveles de entrada de h=0,20m y h=0,40m en calle. Se verificaron el balance de masas y la condición de Courant. El dominio de Simulación tenía una longitud total de 280m y un ancho igual a la suma de los anchos de vereda, calle y canal lateral, además de una altura de 0,70m. Se realizó una convergencia de malla con caudales constantes, tomando como parámetros de convergencia las velocidades instantáneas en un punto del eje central de la calle con sus respectivas velocidades medias en la sección, estas fuera de las secciones donde se impusieron las condiciones de contorno, admitiendo una divergencia de los parámetros de convergencia del 5% para parámetros instantáneos y del 2% para parámetros medios simulando el 20% del dominio total en su longitud, convergiendo para un orden de dos millones de volumen esfinitos.

Con las mallas convergentes se procedió a la calibración y validación utilizando la distribución espacial de velocidades medias temporales superficiales y los niveles obtenidos de las filmaciones, arrojando discrepancias menores al 0,05%.

3.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados obtenidos mostraron niveles y velocidades críticas en varias zonas del evento analizado.

Con niveles de 0,20m a 0,30m de flujo se registraron velocidades superficiales entre 3m/s y 4.2m/s en la calle en zonas cercanas a la vereda que se observan en la Figura 1. Con niveles de 0.30m a 0.40m de flujo se registraron velocidades superficiales entre 1.8m/s y 5.5m/s en la calle en zonas cercanas a la vereda que se observan en la Figura 2.

Estos valores de velocidades observados son superficiales, y los ensayos y deducciones teóricas se realizan con las velocidades medias sobre una vertical, de este modo, observando que la distribución y los valores de velocidades superficiales en la simulación numérica eran muy similares a los obtenidos por LSPIV, se complementó con las simulaciones numéricas el estudio y se observó que las velocidades medias en una vertical sobre un punto son aproximadamente un 20% menores que las superficiales en esos casos. De este modo se calcularon las velocidades instantáneas medias en un punto sobre su vertical, que en general siguieron siendo críticas en su mayoría que según la inestabilidad teórica de personas planteada por S.N. Jonkman y E. Penning-Rowsell⁷, que puede observarse en la Figura 5.

Figura 3: Velocidades superficiales (m/s) obtenidas por la técnica de LSPIV para 0,20m*. Identificación de zonas de riesgo para peatones. OBS: *Nivel de referencia en el punto A. 

Figura 4: Velocidades superficiales (m/s) obtenidas por la técnica de LSPIV para 0,30m*. Identificación de zonas de riesgo para peatones. OBS: *Nivel de referencia en el punto 

Figura 5: Gráfico de Inestabilidad de Personas en Flujos con valores observados. 

Si comparamos los valores de velocidades obtenidas con valores de velocidades críticos obtenidos en laboratorio para la inestabilidad de vehículos, se puede observar lo crítico del raudal para vehículos pequeños a medios en tamaño, con un especial cuidado además aquellos que la parte inferior del vehículo sea baja (analizando hasta 40cm). Figura 6.

En este evento analizado existió el arrastre de un vehículo, este empezó a ser llevado por la corriente por deslizamiento fuera del alcance en que pueda ser procesada la imagen de video, ya que existía poca nitidez de la cámara en la zona. Solo pudo ser identificado el momento en que comenzó el arrastre.

Figura 6: Gráfico de Inestabilidad de Vehículos en Flujos con valores observados. 

A partir de la simulación numérica se logró determinar los parámetros de velocidades y niveles locales en el comienzo del arrastre del vehículo, este comenzó a ser arrastrado con tan solo 0.20m de profundidad de agua y una velocidad promedio cercana al vehículo de 4 m/s, velocidades verificables críticas.

Los valores de combinaciones de niveles y velocidades encontrados en todos los casos han mostrado regiones críticas y de gran peligro en un 74% del tiempo en que se generaron excesos de precipitación escurridos.

4.- CONCLUSIONES

La técnica LSPIV permitió obtener en el estudio el campo de velocidades reales superficiales para todos los escenarios analizados. Esta además pudo ser utilizada para calibrar y validar la simulación CFD.

La simulación CFD fue el complemento ideal para lograr un análisis en tres dimensiones de lo ocurrido, proporcionándonos además un factor de extrapolación de velocidades superficiales a velocidades instantáneas medias puntuales (promediado espacial en la vertical) para los niveles de agua analizados, y valores simulados de velocidades tridimensionalmente distribuidos, donde inclusive no se obtuvieron datos con la técnica de LSPIV.

Se observó que las velocidades medias espaciales, o flujo medio, como se analiza hoy en día, no representan la complejidad del flujo que se presenta en los raudales, por lo que se hace hincapié en el análisis de la distribución espacial de niveles y velocidades para representarlos.

Los raudales/avenidas son altamente peligrosos para los transeúntes de las vías públicas de Asunción y alrededores, con flujo en calles y/o veredas pueden producir velocidades muy elevadas, y difíciles de manejar por las personas y vehículos, estos deben tener en cuenta que no solo un nivel alto del escurrimiento es peligroso, sino también con niveles muy bajos como 0,20m, que es un nivel de cordón de vereda, puede presentar riesgo potencial.

Se recomienda tener en cuenta velocidades máximas reales aparte de los niveles para el dimensionamiento y verificación de los desagües pluviales y calles urbanas con un enfoque hidráulico, en especial en zonas donde el cauce principal de avenidas son las calles.

Esta investigación podría ampliarse enfocándose en determinar un mapa de peligrosidad de raudales de Asunción y Gran Asunción, que tengan en cuenta no solo niveles y si también velocidades.