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Particular comprehensive study for the control of floods in Piura River: Why was Piura flooded? The phenomenon of degradation (erosion) and aggradation (sedimentation) of Piura river in its upper and lower basin. River morphological changes

Estudio integral particular para el control de inundaciones del río Piura: Por qué se inundó Piura? El fenómeno de degradación (erosión) y agradación (sedimentación) del rio Piura en su cuenca alta y baja. Cambios morfológicos del río - Particular comprehensive study for the control of floods in Piura River: Why was Piura flooded? The phenomenon of degradation (erosion) and aggradation (sedimentation) of Piura river in its upper and lower basin. River morphological changes.

M.Sc. Dipl.- Ing., Ing. Cesar Alvarado Ancieta. Project Director, Team Leader, Resident & Project Construction Manager, and International Expert on Fluvial Hydraulics, River Engineering, Flood Control, Sedimentation, Dam Engineering & Safety, Hydropower, Tunnelling & Underground Powerhouse. Germany-Peru. Member of the International Association of Hydraulic Research (IAHR) Register. 54999 - Member of the German National Committee of Large Dams (DTK) & ICOLD. Register 01004 - Work Group associated member of the German Association of Water Ressources (DWA). Ass. G-WW-2.7: Scour in Hydraulic Structures: Morphodynamics; river hydraulics & coasts.

Espanol: 150 años de intervenciones humanas han convertido al río Piura, la principal zona de irrigación del Perú, en un río semicanalizado regulado, con diques, espigones y llanuras de inundación sedimentadas en la cuenca baja del río: Bajo Piura, y una fuente de eyección de sedimentos en la cuenca superior: Alto Piura, donde el río no esta encauzado.

El desvío del curso natural del río Piura en la cuenca baja, que desembocaba al mar, a un nuevo punto de descarga y con una mayor longitud del río, en el último siglo, causa un complejo problema en la morfología del río en la cuenca baja. Como consecuencia, el proceso de agradación (sedimentación) se produce en la cuenca fluvial inferior. Simultáneamente, el problema de la degradación de la cuenca fluvial superior, que es el foco de la eyección de sedimentos hacia la cuenca inferior, continúa imparable, lo que lleva a tener que tomar medidas de mitigación para contrarrestar los cambios de nivel toppográfico del fondo del cauce y de las mágenes de los ríos, si no se toman medidas adecuadas para resolver el problema. Evaluar eficazmente el cauce del río en este proceso de degradación-agradación en las cuencas fluviales superior, intermedia e inferior es necesario comprender los procesos morfológicos que intervienen en el ajuste de la geometría del cauce del río y las condiciones de equilibrio proyectadas.

El objetivo de esta investigación fue el estudio del proceso de degradación-agradación del cauce y de las márgenes del río Piura, mediante un sistema adecuado de control de inundaciones: i) La disminución de la capacidad de transporte de sedimentos mediante la rectificación/reajuste/canalización del río en la cuenca fluvial superior: "formación del río", y protección contra las crecidas en los tramos críticos, estabilizando el lecho y las riberas del río; ii) aumento de la capacidad de transporte de sedimentos en la cuenca fluvial inferior mediante el estrechamiento del río en el tramo no canalizado y la creación de una salida de descarga, y protección contra las crecidas en la cuenca inferior, mediante un proceso de erosión general controlada, que permita restablecer la capacidad hidráulica en el tramo canalizado o encauzado existente, con diques.

La conferencia presenta un plan de acción rápido, design as you go (diseña a medida que se avanza), con estrategias para el control de inundaciones, alternativas y recomendaciones.

Un sistema adecuado de control de inundaciones basado en varias variables, además de los probelmas sociales y ambientales llevará de hecho varios años, y mientras tanto una defensa contra las inundaciones en la cuenca baja es también una necesidad, hasta que el sistema efectivo de control de inundaciones esté listo.

English: 150 years of human interventions have turned Piura river, Peru‘s main irrigation area, into a semi-channeled regulated river with levee embankments, groynes and sedimented floodplains in the lower river basin: Bajo Piura; and a source of ejection of sediments the upper basin: Alto Piura, non river channeled.

The deviation of a natural course of Piura river in the lower river basin, which discharged into the sea, to a new point of discharge and with a longer river length in the last century, causes a complex problem in the river morphology in the lower river basin. As a consequence, the process of aggradation(sedimentation) occurs in the lower river basin. Simultaneously, the problem of degradation of the upper river basin, which is the focus of sediment ejection into the lower basin, continues unstoppable, leading to having to take mitigation measures to counteract streambed and river banks level changes, if adequate measures are not taken to solve the problem. An effective evaluation of the riverbed in this degradation-aggradation process in the upper, intermediate and lower river basins requires an understanding of the morphological processes involved in the river channel geometry adjustment and the projected equilibrium conditions.

The objective of this research was the study of the aggradation-degradation process of the Piura River streambed and banks, by means of an adequate flood control system: (i) decreasing sediment transport capacity by rectifying/realignment/channeling the river in the upper river basin: “river training”, and flood protection in critical reaches, stabilizing the river bed and banks; (ii) increasing sediment transport capacity in the lower river basin by river narrowing in the non river channeling reach and creating an outflow, and flood protection in the lower basin, by means of a process of controlled general erosion, which will make it possible to restore hydraulic capacity in the existing channeled or river training reach.

The lecture introduces to a fast track action plan, design as you go, with strategies for flood control, alternatives and recommendations.

An adequate flood control system based on several variables, besides of social and environmental issues will take in fact several years, and in the meantime a flood defence in the lower basin is also a must, up to the effective flood control system is ready.



Figura 1: Vista satelital de la inundación en Piura de marzo del 2017. Obsérvese lagunas Ramón y Napique en el extremo norte empozadas, rebose por el canal Chutuque hacia pampa Las Salinas y de allí al estuario de Virrilá al oeste (pequena eyección de sedimentos al oceano) y al sur hacia laguna La Nina (foto privada elaborada cortesía: derechos reservados Cesar Alvarado Ancieta - investigación efectuada en Piura, Praga y Nuremberg).

Figure 1: Satellite view of Piura flooding in March 2017. Note the embedded Ramon and Napique lagoons in the far north, overflowed by the Chutuque channel into Pampa Las Salinas and from there into the Virrila estuary to the west (small ejection of sediments into the ocean) and to La Nina lagoon to the south (photo elaborated courtesy: copy right Cesar Alvarado Ancieta - research carried out in Piura, Prague and Nuremberg).


Figura 2: Comparación de la llanura de inundación, talweg y pendiente en las cuencas bajas de los ríos Piura (Perú), Chao Phraya (Tailandia) y Brahmaputra (Bangladesh) (figura cortesía: derechos reservados Cesar Alvarado Ancieta - investigación efectuada en Piura, Praga y Nuremberg).

Figure 2: Comparison of the floodplain, thalweg and river slope in the lower basins or rivers Piura (Peru), Chao Phraya (Thailand) and Brahmaputra (Bangladesh). (figure courtesy: copy right Cesar Alvarado Ancieta - research carried out in Piura, Prague and Nuremberg).


Figura 3: Actual perfil longitudinal y vista en planta del talweg del río Piura (figura cortesía: derechos reservados Cesar Alvarado Ancieta - investigación efectuada en Piura, Praga y Nuremberg).

Figure 3: Current Piura river thalweg‘s longitudinal profile and plan view (figure courtesy: copy right Cesar Alvarado Ancieta - research carried out in Piura, Prague and Nuremberg).


Figura 4: Relación entre el diámetro carcaterístico de la partícula del tamano de sedimento D50 y zonas de sedimentos en suspensión en función de la relación u*/ws: velocidad de tensión de corte / velocidad de caída, para río Piura (figura cortesía: derechos reservados Cesar Alvarado Ancieta - investigación efectuada en Piura, Praga y Nuremberg).

Figure 4: Relationship between the particle diameter of the sediment size D50 and suspended sediment zones as function oft he ratio u*/ws: bed-shear velocity / particle fall velocity, for Piura river (figure courtesy: copy right Cesar Alvarado Ancieta - research carried out in Piura, Prague and Nuremberg).


Figura 5: Migración de las formas de fondo en régimen de transporte inferior con lecho plano (Q ~ 60 m3/s), típico para partículas de sedimento con D50 ≤ 1 mm. En la parte inferior, se observan dunas con un patrón de líneas de cresta catenaria en la dirección del flujo. Zonas de deposición de sedimentos se observan arriba. En el régimen de transporte superior con lecho móvil plano se forman ondas de arena (anti-dunas). (figura cortesía: derechos reservados Cesar Alvarado Ancieta - investigación efectuada en Piura, Praga y Nuremberg).

Figure 5: Bed form migration in lower transport regime with flat bed (Q ~ 60 m3/s), typical for sediment particles with D50 ≤ 1 mm. Dunes with catenary crest line pattern in flow direction is observed below. Point bars are observed above. During upper transport regime with flat mobile bed, sand waves (anti-dunes) are formed. (photo courtesy: copy right Cesar Alvarado Ancieta - research carried out in Piura, Prague and Nuremberg).


Figura 6: Erosión del cauce no estable del río situado a 3,50 km aguas arriba del de la presa derivadora Los Ejidos, río Piura (foto Google Earth elaborada cortesía: derechos reservados Cesar Alvarado Ancieta - investigación efectuada en Piura, Praga y Nuremberg).

Figure 6: Erosion of a non-stable river channel located 3,50 km upstream Los Ejidos diversion dam spillway 1970-2020, Piura river (photo Google Earth elaborated courtesy: copy right Cesar Alvarado Ancieta - research carried out in Piura, Prague and Nuremberg).


Figura 7: Topografía del cauce y erosón en curvas abruptas, e influencia de las obras de protección de márgenes, Alvarado Ancieta, Delft 2004 (figura cortesía: derechos reservados Cesar Alvarado Ancieta - investigación efectuada en Piura, Praga y Nuremberg).

Figure 7: Bed topography and scour in sharp river bends, and influence of bank protection works, Alvarado Ancieta, Delft 2004 (photo courtesy: copy right Cesar Alvarado Ancieta - research carried out in Piura, Prague and Nuremberg).


Figura 8: Perfil longitudinal del talweg y márgenes sedimentadas del río Piura, comprendido entre la presa derivadora Los Ejidos y lagunas Ramón-Napique - canal Chutuque (figura cortesía: derechos reservados Cesar Alvarado Ancieta - investigación efectuada en Piura, Praga y Nuremberg).

Figure 8: Longitudinal profiles of Piura River’s thalweg and sedimented river banks, between Los Ejidos diversion dam and Ramón-Napique lagoons - Chutuque channel (figure courtesy: copy right Cesar Alvarado Ancieta - research carried out in Piura, Prague and Nuremberg).


Figura 9: El cauce principal y las áreas de llanuras de inundación se sedimentan (agradación), produciéndose una reducción de la capacidad hidráulica, los diques nos on socavados, sin embargo son sobrepasados en en borde libre y debido a las avenidas intensas (de larga duración), los diques fallan por tubificación (erosón interna) (figura cortesía: derechos reservados Cesar Alvarado Ancieta - investigación efectuada en Piura, Praga y Nuremberg).

Figure 9: Bankfull channel and flood plain areas are sedimented (aggradation), decreasing its hydraulic capacity, levee embankments are not undermined, however they are overtopped and with intensive flood (long duration), levees failure by piping (internal erosion) (figure courtesy: copy right Cesar Alvarado Ancieta - research carried out in Piura, Prague and Nuremberg).


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