Riesgo por Rotura de Presa (Dam Break): Consideraciones para América Latina

Todas las presas son construidas bajo el criterio de seguridad, pero existen numerosos factores además del diseño del proyecto que pueden afectar la confiabilidad a los cuales se suma una mayor incertidumbre ante la variabilidad hidrológica generada por el cambio climático. Un rompimiento puede definirse como una descarga violenta y no controlada, con origen en la formación de una brecha de descarga en la cortina de una presa, que genera una creciente en forma de onda en el valle fluvial que se encuentra aguas abajo del embalse.

En todo el mundo se han registrado rompimientos de presas a lo largo de la historia, resaltando recientemente los casos de la presa Patel en Kenia y la de Xepian-Xe Nam Noy en Laos, además de la crisis de Hidroituango en Colombia que no llegó a mayores daños. Estas contingencias llaman fuertemente la atención por la gran cantidad de víctimas y comunidades afectadas o desplazadas, así como por el impacto comunicacional que generan en nuestra sociedad. Al momento de esta publicación no existe una estimación de la población mundial vulnerable por fallas en presas, sin embargo, tomando en consideración que los valles de los ríos que son regulados por las presas son los más propicios para la agricultura y para los asentamientos humanos se puede presumir que alrededor del 40% de la población mundial es vulnerable de manera directa a este tipo de desastres y cerca de un 80% por los daños colaterales, dentro de los que se incluyen los cortes de vías de comunicación, de servicio eléctrico y de agua potable, además de las perdidas en cultivos e infraestructura.

No todas las presas presentan la misma vulnerabilidad, el riesgo y violencia del evento varía acuerdo a la altura de la presa y al volumen de agua almacenado, y no todos los casos de rompimiento se deben a los mismos factores. De manera general, las presas más vulnerables son las construidas con materiales sueltos que por su naturaleza de fácil dispersión o erosión hidráulica, en especial las presas de tierra homogénea, que son las más comunes y representan un 90 % de los casos de falla. Entre los principales factores de riesgo tenemos:

•  Sismos y avenidas;
• Problemas de diseño o construcción;
• Materiales inadecuados;
• Mantenimiento deficiente;
• Inestabilidad de cimentación o base;
• Filtraciones y subpresiones;
• Fallas en vertederos hidráulicos;
• Operación deficiente.

De acuerdo a la International Commission On Large Dams ICOLD, la manifestación de estos factores puede desencadenar según su recurrencia en los eventos registrados el desborde sobre la cresta de la presa (38 %), filtraciones y tubificación en el interior de la presa (3 3%), fallas en la cimentación (23 %) y otros desencadenantes (6 %). 

En América Latina se estima que existen más de 15.000 presas, a manera de referencia países como Perú en el Inventario de Presas del año 2015 pudo catalogar 743 presas, Bolivia cuenta con 287 y Venezuela con 108 más una cantidad no determinada de presas pequeñas no clasificadas. En el Registro Mundial de Presas de ICOLD, América Latina posee 2.449 presas registradas, estas estructuras para ser consideradas en el registro deben tener una altura de 15 metros o más medidos desde la base más baja hasta la cresta; o entre 5 y 15 metros de altura con un volumen superior 3 millones de metros cúbicos de terraplén. En el siguiente cuadro se desglosa la cantidad de presas por país en América Latina registradas por ICOLD:

Pese a que la probabilidad de falla de una presa es muy baja desde el punto de vista estadístico, tomando en consideración el número de presas construidas y las que han fallado, no se debe dejar de lado una evaluación de riesgos que permita contar con información para un plan de emergencia, inclusive esto debe ser considerado desde la fase de proyecto, si tomamos en cuenta que muchas contingencias se han generado durante la construcción y llenado del embalse, tal y como ocurrió en el proyecto de Hidroituango (Colombia). 

Metodología simplificada para el cálculo de roturas de presas

Actualmente existen muchos modelos y metodologías para la estimación del comportamiento de la brecha durante la rotura y del desplazamiento del frente de carga a lo largo del valle aguas abajo de la presa. En América Latina la selección del modelo más idóneo está limitada principalmente por la disponibilidad y nivel de detalle de la información del área de estudio: el relieve y accidentes geográficos, la sinuosidad y geometría del cauce del río, las características de los suelos, la vegetación presente y la infraestructura que se encuentra aguas abajo de la presa.

Uno de los modelos empíricos más sencillos de aplicar, por la información que requiere y facilidad de operacionalización es la “Metodología Simplificada de Cálculo para la Determinación de los Parámetros de Inundación Causada por la Rotura de una Presa de Tierra”, empleada por el Instituto Nacional de Recursos Hídricos INRH de Cuba.

Esta metodología consiste en:

1. Realizar una estimación de las dimensiones de la brecha y del caudal en proporción a los parámetros de ancho y forma de la presa a través de la expresión de Shorlich (1), considerando condiciones invariables de tiempo y forma en la brecha, así como caudal instantáneo.
2. Ubicar secciones transversales representativas y determinación de la distancia de cada sección con respecto a la presa y cálculo del caudal de llegada a cada sección por la expresión (2).
3. Levantamiento de secciones transversales para el cálculo de los radios hidráulicos y las curvas de área, velocidad y caudal admisibles en función de la pendiente del fondo del cauce por la formula de Chézy - Manning (3), (4) y (5).
4. Determinación de las cotas de inundación y velocidad por la comparativa entre el caudal que llega a una determinada sección y su capacidad de conducción.
5. Estimación del tiempo de aproximación del frente de carga o tiempo de retardo por la expresión (6).
6. Vectorización de resultados en cartografía básica, conformando el perímetro de la mancha de inundación en base a las cotas obtenidas.

Donde: Qmax= Caudal máximo instantáneo. (m3/seg); b = Parámetro que se determina del mayor valor entre la longitud de la cresta (b1) y el ancho de cauce del río (b2). (m); b1= 10 % x Longitud de la cresta. (m); b2= 6 x Ancho del cauce río. (m); B = Longitud lineal de la cresta en el nivel de aguas normales. (m); H = Altura de la presa. (m); Qsec= Caudal que llega a la sección transversal considerada. (m3/seg); W0= Volumen del embalse en el N.A.Max. (m3); L= Es la distancia entre el embalse y la sección de cálculo considerada. (m); t = Es un parámetro que depende del tamaño del río, vegetación, topografía, etc; n= Coeficiente de rugosidad del terreno [n de Manning]; R= Radio Hidráulico. (m); m= Pendiente del cauce del río entre secciones; A= Área de la sección viva. (m2); L= Es la distancia entre cada sección. (m); V= La velocidad en la sección. (m/seg); T= Tiempo que demoraría la inundación en llegar a la sección. (min). 

Modelamiento de rotura de presas con HEC-RAS

HEC-RAS (Hydrological Engineering Center - River Analysis System) es un programa de simulación hidráulica desarrollado por el United States Army Corps of Engineers. Es uno de los más populares y de amplia aplicación en el estudio y moldeamiento de roturas de presas, por su versatilidad y fácil manejo. Mediante extensiones como HEC-geoRAS para ArcGIS permite procesar datos georreferenciados correspondientes a la geometría del terreno incluyendo el cauce del río, las secciones transversales, las líneas de flujo, entre otras características. Estos datos son importados a HEC-RAS donde se realiza todo el cálculo hidráulico y obteniendo los resultados de la altura de inundación y velocidades. Finalmente, estos resultados se pueden llevar a ArcGIS para obtener las manchas de inundación y mapas de riesgo. Sus desventajas radican precisamente en que se requiere un modelo digital detallado del terreno potencialmente afectado, esta es una información que en muchos casos no está disponible en América Latina y solo se cuenta con cartografías a escala 1:100.000 o 1:25.000, que bien podrían ser vectorizadas con un proceso largo y tedioso.

Un plan de contingencia para cada presa

La baja probabilidad de ocurrencia de una rotura de presa hace que en muchos casos la preparación de instrumentos para un evento con sus características sea desestimada por parte de los entes operadores, esto es más común en países en vías de desarrollo y con una institucionalidad que aún carece de fortaleza en la gestión de recursos hídricos y la administración de riesgos.

Un cálculo de rotura de presa, independientemente de la metodología utilizada, es el punto de partida para el diseño de un plan de contingencia, este debe ser producto de la concertación de los entes operadores, el estado a través de sus organismos reguladores en materia de agua y de riesgo, y las comunidades, para su eficacia es necesario que se guíe por las normativas internacionales y de cada país. Este instrumento debe contar con una descripción detallada del alcance de las posibles afectaciones, así como los protocolos, medidas de control y de recuperación del evento.