La ingeniería fluvial es una disciplina de la ingeniería civil que estudia la intervención humana en el curso, las características o el flujo de un río con la intención de producir algún beneficio definido. Las personas han intervenido en el curso natural y el comportamiento de los ríos desde antes de la historia registrada, para gestionar los recursos hídricos , para protegerse contra las inundaciones o para facilitar el paso a lo largo o a través de los ríos. Desde la dinastía Yuan y la época de la antigua Roma , los ríos se han utilizado como fuente de energía hidroeléctrica . Desde finales del siglo XX, la práctica de la ingeniería fluvial ha respondido a preocupaciones ambientales más amplias que el beneficio humano inmediato. Algunos proyectos de ingeniería fluvial se han centrado exclusivamente en la restauración o protección de las características y los hábitats naturales .
La hidromodificación comprende la respuesta sistemática a las alteraciones de los cuerpos de agua fluviales y no fluviales, como las aguas costeras ( estuarios y bahías ) y los lagos. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) ha definido la hidromodificación como la "alteración de las características hidrológicas de las aguas costeras y no costeras, que a su vez podría causar la degradación de los recursos hídricos". [1] La ingeniería fluvial a menudo ha dado lugar a respuestas sistemáticas no deseadas, como la reducción del hábitat para los peces y la vida silvestre, y alteraciones de la temperatura del agua y los patrones de transporte de sedimentos . [2]
A partir de finales del siglo XX, la disciplina de ingeniería fluvial se ha centrado más en la reparación de degradaciones hidromodificadas y en la contabilización de la posible respuesta sistemática a las alteraciones planificadas considerando la geomorfología fluvial . La geomorfología fluvial es el estudio de cómo los ríos cambian su forma con el tiempo. La geomorfología fluvial es la acumulación de varias ciencias, entre ellas la hidráulica de canales abiertos , el transporte de sedimentos , la hidrología , la geología física y la ecología ribereña . Los profesionales de la ingeniería fluvial intentan comprender la geomorfología fluvial, implementar una alteración física y mantener la seguridad pública. [3] : 3–13ff
El tamaño de los ríos por encima de cualquier límite de marea y su descarga media de agua dulce son proporcionales a la extensión de sus cuencas y a la cantidad de lluvia que, después de caer sobre estas cuencas, llega a los canales del río en el fondo de los valles, por donde es transportada al mar. [4]
La cuenca de un río es la extensión de un país delimitada por una línea divisoria de aguas (llamada "divisoria" en América del Norte) sobre la que el agua de lluvia fluye hacia el río atravesando la parte más baja del valle, mientras que la lluvia que cae en la pendiente más alejada de la línea divisoria de aguas fluye hacia otro río que desagua una cuenca adyacente. Las cuencas fluviales varían en extensión según la configuración del país, desde las insignificantes áreas de drenaje de los arroyos que nacen en terrenos altos muy cerca de la costa y fluyen directamente hacia el mar, hasta inmensas extensiones de grandes continentes, donde los ríos que nacen en las laderas de las cadenas montañosas del interior tienen que atravesar vastas extensiones de valles y llanuras antes de llegar al océano. El tamaño de la cuenca fluvial más grande de cualquier país depende de la extensión del continente en el que está situada, su posición en relación con las regiones montañosas en las que generalmente nacen los ríos y el mar en el que desembocan, y la distancia entre la fuente y la desembocadura en el mar del río que la desagua. [4]
La velocidad del caudal de los ríos depende principalmente de su caída, también llamada gradiente o pendiente. Cuando dos ríos de distinto tamaño tienen la misma caída, el río mayor tiene el caudal más rápido, ya que su retardo por la fricción contra su lecho y sus orillas es menor en proporción a su volumen que en el caso del río más pequeño. La caída disponible en una sección de un río corresponde aproximadamente a la pendiente del terreno que atraviesa; como los ríos nacen cerca de la parte más alta de sus cuencas, generalmente en regiones montañosas, su caída es rápida cerca de su nacimiento y disminuye gradualmente, con irregularidades ocasionales, hasta que, al atravesar llanuras a lo largo de la última parte de su curso, su caída suele volverse bastante suave. En consecuencia, en las grandes cuencas, los ríos en la mayoría de los casos comienzan como torrentes con un caudal muy variable y terminan como ríos de corriente suave con un caudal comparativamente regular. [4]
El caudal irregular de los ríos a lo largo de su curso constituye una de las principales dificultades a la hora de idear obras para mitigar las inundaciones o aumentar la navegabilidad de los ríos. En los países tropicales sujetos a lluvias periódicas, los ríos se desbordan durante la estación lluviosa y apenas tienen caudal durante el resto del año, mientras que en las regiones templadas , donde las precipitaciones se distribuyen más uniformemente a lo largo del año, la evaporación hace que la pluviosidad disponible sea mucho menor en los meses cálidos del verano que en los meses de invierno, de modo que los ríos bajan su caudal en verano y son muy propensos a desbordarse en invierno. De hecho, en un clima templado, el año puede dividirse en una estación cálida y otra fría, que se extienden de mayo a octubre y de noviembre a abril en el hemisferio norte respectivamente; los ríos son bajos y las inundaciones moderadas son poco frecuentes durante el período cálido, y los ríos son altos y están sujetos a inundaciones fuertes ocasionales después de una lluvia considerable durante el período frío en la mayoría de los años. Las únicas excepciones son los ríos que nacen en montañas cubiertas de nieves perpetuas y que se alimentan de glaciares ; sus inundaciones se producen en verano por el derretimiento de la nieve y el hielo, como lo ejemplifican el Ródano sobre el lago de Ginebra y el Arve que se une a él por debajo. Pero incluso estos ríos están sujetos a ver modificado su caudal por la afluencia de afluentes sujetos a diferentes condiciones, de modo que el Ródano debajo de Lyon tiene un caudal más uniforme que la mayoría de los ríos, ya que las inundaciones de verano del Arve se contrarrestan en gran medida por el bajo nivel del Saona que desemboca en el Ródano en Lyon, que tiene sus inundaciones en invierno, cuando el Arve, por el contrario, está bajo. [4]
Otro serio obstáculo con el que se encuentra la ingeniería fluvial consiste en la gran cantidad de detritos que arrastran en época de inundaciones, derivados principalmente de la desintegración de las capas superficiales de las colinas y laderas en las partes altas de los valles por los glaciares, las heladas y la lluvia. La potencia de una corriente para transportar materiales varía con su velocidad , de modo que los torrentes con una caída rápida cerca de las fuentes de los ríos pueden arrastrar rocas, cantos rodados y piedras grandes , que gradualmente se muelen por atrición en su curso posterior hasta convertirse en pizarra , grava , arena y limo , simultáneamente con la reducción gradual de la caída y, en consecuencia, de la fuerza de transporte de la corriente. En consecuencia, en condiciones normales, la mayoría de los materiales arrastrados desde las tierras altas por los cursos de agua torrenciales son arrastrados por el río principal hasta el mar, o parcialmente esparcidos sobre llanuras aluviales planas durante las inundaciones; El tamaño de los materiales que forman el lecho del río o que son arrastrados por la corriente se reduce gradualmente a medida que se avanza hacia el mar, de modo que en el río Po en Italia, por ejemplo, se encuentran guijarros y grava durante unas 140 millas por debajo de Turín , arena a lo largo de las siguientes 100 millas y limo y barro en las últimas 110 millas (176 km). [4]
Las mejoras se pueden dividir en aquellas que tienen como objetivo mejorar el caudal del río, en particular en condiciones de inundación, y aquellas que tienen como objetivo contener el caudal, principalmente con fines de navegación, aunque la generación de energía suele ser un factor importante. Las primeras se conocen en los EE. UU. como canalización y las segundas se denominan generalmente canalización .
La única manera de aumentar la caída efectiva es reducir la longitud del cauce sustituyendo un curso sinuoso por cortes rectos. Esto implica cierta pérdida de capacidad en el cauce en su conjunto y, en el caso de un río grande con un caudal considerable, es muy difícil mantener un corte recto debido a la tendencia de la corriente a erosionar las orillas y formar de nuevo un canal sinuoso . Incluso si se conserva el corte protegiendo las orillas, es probable que produzca cambios en los bajos y aumente el nivel de inundación en el cauce justo por debajo de su terminación. Sin embargo, cuando la caída disponible es excepcionalmente pequeña, como en tierras originalmente ganadas al mar, como los Fenlands ingleses , y donde, en consecuencia, el drenaje es en gran medida artificial, se han formado canales rectos para los ríos. Debido al valor percibido en proteger estas tierras bajas y fértiles de las inundaciones, también se han provisto canales rectos adicionales para la descarga de la lluvia, conocidos como desagües en los fens. Incluso una modificación importante del curso de un río combinada con una ampliación de su cauce produce a menudo sólo una reducción limitada de los daños causados por las inundaciones. En consecuencia, estas obras contra inundaciones sólo son proporcionales al gasto que suponen [4] cuando se ven amenazados bienes importantes (como una ciudad). Además, incluso cuando tienen éxito, estas obras contra inundaciones pueden simplemente trasladar el problema aguas abajo y amenazar a alguna otra ciudad. Las obras contra inundaciones recientes en Europa han incluido la restauración de llanuras de inundación naturales y cauces sinuosos, de modo que el agua de la inundación se retenga y se libere más lentamente.
La eliminación de obstrucciones, naturales o artificiales (por ejemplo, troncos de árboles, rocas y acumulaciones de grava) del lecho de un río proporciona un medio simple y eficiente de aumentar la capacidad de descarga de su cauce. Tales eliminaciones reducirán en consecuencia la altura de las inundaciones aguas arriba. Cada impedimento al flujo, en proporción a su extensión, eleva el nivel del río por encima de él de modo de producir la caída artificial adicional necesaria para conducir el flujo a través del canal restringido, reduciendo así la caída total disponible. [4]
La intervención humana modifica a veces inadvertidamente el curso o las características de un río, por ejemplo introduciendo obstrucciones como desechos mineros, compuertas para molinos, trampas para peces, pilares excesivamente anchos para puentes y presas sólidas . Al impedir el flujo, estas medidas pueden aumentar el nivel de inundación aguas arriba. Las regulaciones para la gestión de los ríos pueden incluir prohibiciones estrictas con respecto a la contaminación , requisitos para agrandar las compuertas y la elevación obligatoria de sus compuertas para el paso de las inundaciones, la eliminación de las trampas para peces , que a menudo se bloquean con hojas y basura flotante, la reducción en el número y la anchura de los pilares de los puentes cuando se reconstruyen, y la sustitución de presas móviles por presas sólidas. [4]
Si se instalan pluviómetros en los puntos adecuados de un río de gran caudal y de sus afluentes, y se lleva un registro continuo durante algún tiempo de las alturas de las aguas en las distintas estaciones, se puede determinar la subida de las crecidas en los distintos afluentes, el tiempo que tardan en llegar a estaciones concretas del río principal y la influencia que ejercen sobre la altura de las crecidas en esos lugares. Con la ayuda de esos registros y observando los tiempos y las alturas de la máxima subida de una determinada crecida en las estaciones de los distintos afluentes, se puede predecir con notable exactitud, con dos o más días de antelación, la hora de llegada y la altura de la parte superior de la crecida en cualquier estación del río principal. Si se comunican estos datos sobre una crecida alta a los lugares del curso inferior del río, los encargados de los vertederos pueden abrir completamente los vertederos móviles con antelación para permitir el paso de la crecida, y los habitantes de las zonas ribereñas reciben un aviso oportuno de la inminente inundación. [4]
Cuando partes de una ciudad ribereña están situadas por debajo del nivel máximo de inundación, o cuando es importante proteger las tierras adyacentes a un río de las inundaciones, el desbordamiento del río debe desviarse hacia una presa de inundación o confinar dentro de terraplenes continuos a ambos lados. Al colocar estos terraplenes algo alejados del margen del lecho del río, se crea un amplio canal de inundación para la descarga del río tan pronto como se desborda, dejando al mismo tiempo el canal natural inalterado para el flujo ordinario. Los terraplenes bajos pueden ser suficientes cuando sólo se deben excluir las inundaciones excepcionales de verano de las praderas. Ocasionalmente, los terraplenes se elevan lo suficiente para retener las inundaciones durante la mayoría de los años, mientras se toman precauciones para el escape de las raras y excepcionalmente altas inundaciones en lugares especiales en los terraplenes, donde se evita la erosión de la corriente que fluye y la inundación de las tierras vecinas es menos perjudicial. De esta manera se evita el aumento de los costes de los terraplenes elevados por encima del nivel de inundación más alto, de rara ocurrencia, así como el peligro de roturas en los márgenes debido a una crecida inusualmente alta y un flujo rápido, con sus desastrosos efectos. [4]
Una objeción muy seria a la formación de terraplenes continuos y altos a lo largo de los ríos que traen cantidades considerables de detritos, especialmente cerca de un lugar donde su caída se ha reducido abruptamente al descender desde las laderas de las montañas a las llanuras aluviales, es el peligro de que su lecho se eleve por los depósitos, produciendo un aumento en el nivel de inundación y haciendo necesario un levantamiento de los terraplenes para evitar inundaciones. Las secciones longitudinales del río Po, tomadas en 1874 y 1901, muestran que su lecho se elevó materialmente durante este período desde la confluencia del Ticino hasta más abajo de Caranella, a pesar de la limpieza de sedimentos efectuada por el avance a través de las brechas. [ cita requerida ] Por lo tanto, la finalización de los terraplenes, junto con su levantamiento, solo agravaría eventualmente los daños de las inundaciones que se han diseñado para prevenir, ya que el escape de las inundaciones del río elevado debe ocurrir tarde o temprano. [4]
En el Reino Unido, los problemas de inundaciones de propiedades residenciales a principios del siglo XXI se han achacado [¿ por quién? ] a controles de planificación inadecuados que han permitido el desarrollo en llanuras aluviales. Esto expone las propiedades en la llanura aluvial a inundaciones, y la sustitución de hormigón por estratos naturales acelera la escorrentía del agua, lo que aumenta el peligro de inundaciones río abajo. En el medio oeste de los Estados Unidos y el sur de los Estados Unidos, el término para esta medida es canalización. Gran parte de ella se llevó a cabo bajo los auspicios o la dirección general del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos . Una de las áreas más canalizadas de los Estados Unidos es el oeste de Tennessee , donde todos los arroyos principales, con una excepción (el río Hatchie ), han sido canalizados parcial o completamente. [ cita requerida ]
La canalización de un curso de agua puede llevarse a cabo por varias razones. Una es hacer que un curso de agua sea más adecuado para la navegación o para la navegación de embarcaciones más grandes con grandes calados. Otra es restringir el agua a una cierta área de las tierras bajas naturales de un curso de agua para que la mayor parte de esas tierras puedan estar disponibles para la agricultura. Una tercera razón es el control de inundaciones, con la idea de dar a un curso de agua un canal lo suficientemente grande y profundo para que las inundaciones más allá de esos límites sean mínimas o inexistentes, al menos de manera rutinaria. Una razón importante es reducir la erosión natural ; como un curso de agua natural se curva hacia adelante y hacia atrás, generalmente deposita arena y grava en el interior de las esquinas donde el agua fluye lentamente, y corta arena, grava, subsuelo y valiosa capa superior del suelo de las esquinas exteriores donde fluye rápidamente debido a un cambio de dirección. A diferencia de la arena y la grava, la capa superior del suelo que se erosiona no se deposita en el interior de la siguiente esquina del río. Simplemente se arrastra.
La canalización tiene varios efectos negativos predecibles. Uno de ellos es la pérdida de humedales . Los humedales son un hábitat excelente para muchas formas de vida silvestre y, además, sirven como "filtro" para gran parte del agua dulce superficial del mundo. Otro es el hecho de que los arroyos canalizados casi invariablemente se enderezan. Por ejemplo, la canalización del río Kissimmee de Florida se ha citado como una causa que contribuye a la pérdida de humedales. [5] Este enderezamiento hace que los arroyos fluyan más rápidamente, lo que, en algunos casos, puede aumentar enormemente la erosión del suelo. También puede aumentar las inundaciones aguas abajo de la zona canalizada, ya que mayores volúmenes de agua que viajan más rápido de lo normal pueden llegar a puntos de estrangulamiento en un período de tiempo más corto de lo que lo harían de otra manera, con un efecto neto de control de inundaciones en un área que se produce a expensas de inundaciones muy agravadas en otra. Además, los estudios han demostrado que la canalización de los arroyos da como resultado disminuciones de las poblaciones de peces de río. [3] : 3-1ff
Un estudio de 1971 del río Chariton en el norte de Missouri , Estados Unidos, encontró que la sección canalizada del río contenía solo 13 especies de peces, mientras que el segmento natural del arroyo albergaba 21 especies de peces. [6] La biomasa de peces que se podía capturar en los segmentos dragados del río era un 80 por ciento menor que en las partes naturales del mismo arroyo. Se cree que esta pérdida de diversidad y abundancia de peces se produce debido a la reducción del hábitat, la eliminación de rápidos y pozas, una mayor fluctuación de los niveles del arroyo y la temperatura del agua y el cambio de sustratos. La tasa de recuperación de un arroyo una vez que se ha dragado es extremadamente lenta, y muchos arroyos no muestran una recuperación significativa entre 30 y 40 años después de la fecha de canalización. [7]
Por las razones antes mencionadas, en los últimos años se ha reducido considerablemente la canalización de los ríos en los Estados Unidos y, en algunos casos, incluso se ha revertido parcialmente. En 1990, el Gobierno de los Estados Unidos publicó una política de " cero pérdidas netas de humedales", según la cual un proyecto de canalización de ríos en un lugar debe compensarse con la creación de nuevos humedales en otro, un proceso conocido como "mitigación". [8] [ necesita actualización ]
El principal organismo que se encarga de hacer cumplir esta política es el mismo Cuerpo de Ingenieros del Ejército, que durante muchos años fue el principal promotor de la canalización a gran escala. A menudo, en los casos en que se permite la canalización, se pueden instalar cantos rodados en el lecho del nuevo canal para reducir la velocidad del agua, y los canales también pueden curvarse deliberadamente. En 1990, el Congreso de los Estados Unidos dio al Cuerpo de Ingenieros del Ejército un mandato específico para incluir la protección del medio ambiente en su misión, y en 1996 autorizó al Cuerpo a emprender proyectos de restauración. [9] La Ley de Agua Limpia de los Estados Unidos regula ciertos aspectos de la canalización al exigir a las entidades no federales (es decir, los gobiernos estatales y locales , las partes privadas) que obtengan permisos para las operaciones de dragado y relleno. Los permisos son emitidos por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército con la participación de la EPA. [10]
Los ríos cuyo caudal es propenso a ser muy pequeño en su nivel bajo, o que tienen una caída algo grande, como es usual en la parte alta de los ríos, no pueden ser navegados con obras que regulen el caudal; su nivel normal de verano debe ser elevado embalsando el caudal con diques a intervalos a lo largo del canal, mientras que se debe construir una esclusa a lo largo del dique, o en un canal lateral, para permitir el paso de los barcos. De este modo, un río se convierte en una sucesión de tramos bastante planos que se elevan en escalones aguas arriba, lo que permite una navegación en aguas tranquilas comparable a un canal; pero se diferencia de un canal en la introducción de diques para mantener el nivel del agua, en la provisión para la descarga regular del río en los diques y en que los dos umbrales de las esclusas están al mismo nivel en lugar de que el umbral superior esté elevado por encima del inferior hasta la elevación de la esclusa, como es usual en los canales. [4]
La canalización asegura una profundidad disponible definida para la navegación, y el caudal del río generalmente es suficiente para mantener el nivel de agua embalsada, así como para proporcionar el agua necesaria para las esclusas. Sin embargo, la navegación puede verse detenida durante el descenso de grandes crecidas, que en muchos casos superan las esclusas; y se detiene necesariamente en climas fríos en todos los ríos por heladas prolongadas y severas, y especialmente por el hielo. Muchos ríos pequeños, como el Támesis por encima de su límite de marea, se han vuelto navegables mediante canalización, y varios ríos bastante grandes han proporcionado así una buena profundidad para los barcos en distancias considerables tierra adentro. Así, el Sena canalizado ha asegurado una profundidad navegable de 10 1 ⁄ 2 pies (3,2 metros) desde su límite de marea hasta París, una distancia de 135 millas, y una profundidad de 6 3 ⁄ 4 pies (2,06 metros) hasta Montereau, 62 millas más arriba. [4]
Los ríos, a medida que avanzan hacia el mar, experimentan una considerable disminución en su caudal y un aumento progresivo de la cuenca que drenan, debido a la afluencia sucesiva de sus diversos afluentes. De este modo, su corriente se vuelve gradualmente más suave y su caudal mayor en volumen y menos sujeto a variaciones bruscas; y, en consecuencia, se vuelven más adecuados para la navegación. Finalmente, los grandes ríos, en condiciones favorables, suelen proporcionar importantes vías naturales para la navegación interior en la parte baja de su curso, como, por ejemplo, el Rin , el Danubio y el Mississippi . Las obras de ingeniería fluvial solo son necesarias para prevenir cambios en el curso de la corriente, para regular su profundidad y, especialmente, para fijar el canal de bajamar y concentrar el flujo en él, de modo de aumentar en la medida de lo posible la profundidad navegable en la etapa más baja del nivel del agua.
Las obras de ingeniería para aumentar la navegabilidad de los ríos sólo pueden emprenderse con ventaja en los grandes ríos con caída moderada y un caudal adecuado en su parte más baja, pues con una caída grande la corriente presenta un gran impedimento para la navegación río arriba y hay generalmente grandes variaciones en el nivel del agua, y cuando el caudal es muy pequeño en la estación seca, es imposible mantener una profundidad suficiente de agua en el canal de aguas bajas. [4]
La posibilidad de asegurar la uniformidad de la profundidad de un río mediante la reducción de los bancos de arena que obstruyen el canal depende de la naturaleza de los bancos de arena. Un banco de arena blando en el lecho de un río se debe a la sedimentación debida a una disminución de la velocidad de la corriente, producida por una reducción de la pendiente y por un ensanchamiento del canal, o a una pérdida de concentración de la erosión de la corriente principal al pasar de una orilla cóncava a la siguiente en el lado opuesto. La reducción de un banco de arena de este tipo mediante el dragado sólo produce una profundización temporal, ya que pronto se forma de nuevo a partir de las causas que lo produjeron. Además, la eliminación de las obstrucciones rocosas en los rápidos, aunque aumenta la profundidad y nivela el flujo en estos lugares, produce un descenso del río por encima de los rápidos al facilitar el eflujo, lo que puede dar lugar a la aparición de nuevos bancos de arena en el nivel bajo del río. Sin embargo, cuando estrechos arrecifes rocosos u otros bancos duros se extienden a lo largo del fondo de un río y presentan obstáculos a la erosión por la corriente de los materiales blandos que forman el lecho del río por encima y por debajo, su eliminación puede resultar en una mejora permanente al permitir que el río profundice su lecho por erosión natural. [4]
La capacidad de un río para proporcionar una vía navegable durante el verano o durante toda la estación seca depende de la profundidad que se pueda conseguir en el canal en la parte más baja. El problema en la estación seca es el pequeño caudal y la deficiencia de erosión durante este período. Una solución típica es restringir el ancho del canal de aguas bajas, concentrar todo el flujo en él y también fijar su posición de modo que sea erosionado cada año por las inundaciones que siguen la parte más profunda del lecho a lo largo de la línea de la corriente más fuerte. Esto se puede lograr cerrando los canales secundarios de aguas bajas con diques a través de ellos y estrechando el canal en la parte baja mediante diques transversales de poca inclinación que se extiendan desde las orillas del río hacia abajo por la pendiente y apunten ligeramente río arriba para dirigir el agua que fluye sobre ellos hacia un canal central. [4]
Las necesidades de navegación también pueden exigir que se prolongue un canal estable, continuo y navegable desde el río navegable hasta las aguas profundas de la desembocadura del estuario . La interacción del caudal del río y de la marea debe modelarse por ordenador o utilizando modelos a escala, adaptados a la configuración del estuario en cuestión y que reproduzcan en miniatura el flujo y reflujo de la marea y la descarga de agua dulce sobre un lecho de arena muy fina, en el que se pueden insertar sucesivamente varias líneas de muros de contención. Los modelos deben ser capaces de proporcionar indicaciones valiosas de los efectos respectivos y los méritos comparativos de los diferentes esquemas propuestos para las obras. [4]
