La ingeniería fluvial es una disciplina de la ingeniería civil que estudia la intervención humana en el curso, características o caudal de un río con la intención de producir algún beneficio definido. La gente ha intervenido en el curso natural y el comportamiento de los ríos desde antes de la historia registrada: para gestionar los recursos hídricos , proteger contra inundaciones o facilitar el paso a lo largo o a través de los ríos. Desde la dinastía Yuan y la época romana antigua , 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 características y hábitats naturales .
La hidromodificación abarca 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 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 la ingeniería fluvial se ha centrado más en reparar degradaciones hidromodificadas y en dar cuenta de la posible respuesta sistemática a las alteraciones planificadas considerando la geomorfología fluvial . La geomorfología fluvial es el estudio de cómo los ríos cambian de forma con el tiempo. La geomorfología fluvial es la acumulación de una serie de ciencias que incluyen 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] : 3–13 y siguientes
El tamaño de los ríos por encima de cualquier límite de marea y su caudal medio 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 fluviales en el fondo de los valles, por donde es transportada. al mar. [4]
La cuenca de un río es la extensión de país delimitada por una cuenca (llamada "división" en América del Norte) sobre la cual la lluvia fluye hacia el río atravesando la parte más baja del valle, mientras que la lluvia que cae en la ladera más alejada del La cuenca fluye hacia otro río que drena una cuenca adyacente. Las cuencas fluviales varían en extensión según la configuración del país, desde las insignificantes zonas de drenaje de arroyos que nacen en terrenos elevados muy cerca de la costa y desembocan directamente en el mar, hasta inmensas zonas de grandes continentes, donde los ríos nacen en las costas. Las laderas de las cadenas montañosas tierra adentro 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 las fuentes y la desembocadura en el mar del río que lo desagua. [4]
El caudal de los ríos depende principalmente de su caída, también conocida como gradiente o pendiente. Cuando dos ríos de diferentes tamaños tienen el mismo caudal, el río más grande tiene el caudal más rápido, ya que su retardo por fricción contra su lecho y orillas es menor en proporción a su volumen que en el caso del río más pequeño. El salto disponible en un tramo de un río corresponde aproximadamente a la pendiente del país 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 considerable. amable. Por lo tanto, en las grandes cuencas, los ríos en la mayoría de los casos comienzan como torrentes con un caudal muy variable y terminan como ríos que fluyen suavemente y tienen un caudal relativamente 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 capacidad navegable de los ríos. En los países tropicales sujetos a lluvias periódicas, los ríos se encuentran en crecidas durante la temporada de lluvias y apenas tienen caudal durante el resto del año, mientras que en las regiones templadas , donde las precipitaciones se distribuyen de manera más uniforme a lo largo del año, la evaporación provoca que las precipitaciones disponibles ser mucho menor en el clima caluroso del verano que en los meses de invierno, de modo que los ríos bajan a su nivel más bajo en el verano y son muy propensos a inundarse en el invierno. De hecho, con un clima templado, el año se puede dividir 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 raras durante el período cálido, y los ríos son altos y sujetos a fuertes inundaciones ocasionales después de una lluvia considerable durante el período frío en la mayoría de los años. Las únicas excepciones son los ríos que nacen entre montañas cubiertas de nieves perpetuas y son alimentados por glaciares ; sus inundaciones se producen en verano por el derretimiento de la nieve y el hielo, como lo ejemplifica el Ródano sobre el lago de Ginebra y el Arve que se une a él debajo. Pero incluso estos ríos pueden 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 estivales del Arve se contrarrestan en gran medida por la etapa baja 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 grave obstáculo que encuentra la ingeniería fluvial consiste en la gran cantidad de detritos que arrastran en época de crecidas, derivados principalmente de la desintegración de las capas superficiales de las colinas y laderas de las partes altas de los valles por los glaciares, las heladas y las lluvias. El poder 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 desgaste en su curso posterior hasta convertirse en pizarra , grava. , arena y limo , simultáneamente con la paulatina reducción de la caída y, en consecuencia, de la fuerza transportadora de la corriente. En consecuencia, en condiciones normales, la mayoría de los materiales traídos desde las tierras altas por cursos de agua torrenciales son arrastrados por el río principal hasta el mar, o parcialmente esparcidos sobre llanuras aluviales 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 a unas 140 millas por debajo de Turín , arena a lo largo 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 flujo del río, particularmente en condiciones de inundación, y aquellas que tienen como objetivo frenar el flujo, principalmente con fines de navegación, aunque la generación de energía suele ser un factor importante. El primero se conoce en los EE. UU. como canalización y el segundo generalmente se conoce como canalización .
Reducir la longitud del canal sustituyendo cortes rectos por un recorrido sinuoso es la única forma de aumentar la caída efectiva. Esto supone una cierta pérdida de capacidad en el conjunto del cauce, y en el caso de un río grande y de 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 sinuoso canal. Incluso si el corte se preserva protegiendo las orillas, es probable que produzca cambios de bajío y eleve el nivel de inundación en el canal justo debajo de su terminación. Sin embargo, donde 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 de proteger estas tierras fértiles y bajas de las inundaciones, también se han proporcionado canales rectos adicionales para la descarga de lluvia, conocidos como drenajes en los pantanos. Incluso una modificación importante del curso de un río combinada con una ampliación de su cauce a menudo produce sólo una reducción limitada de los daños por inundaciones. Por lo tanto, estas obras sólo son proporcionales a los gastos [4] cuando están amenazados bienes importantes (como una ciudad). Además, incluso si tienen éxito, tales obras contra inundaciones pueden simplemente trasladar el problema río abajo y amenazar a alguna otra ciudad. Las recientes obras contra inundaciones en Europa han incluido la restauración de llanuras aluviales naturales y cursos 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, cantos rodados y acumulaciones de grava) del lecho de un río proporciona un medio sencillo y eficaz para aumentar la capacidad de descarga de su cauce. En consecuencia, estas eliminaciones reducirán la altura de las inundaciones río arriba. Todo impedimento al flujo, en proporción a su extensión, eleva el nivel del río por encima de él de manera que se produzca la caída artificial adicional necesaria para conducir el flujo a través del canal restringido, reduciendo así la caída total disponible. [4]
La intervención humana a veces modifica inadvertidamente el curso o las características de un río, por ejemplo, introduciendo obstrucciones como desechos mineros, compuertas para molinos, trampas para peces, muelles excesivamente anchos para puentes y presas sólidas . Al impedir el flujo, estas medidas pueden elevar el nivel de inundación río arriba. Las normas para la gestión de los ríos pueden incluir prohibiciones estrictas en materia de contaminación , requisitos para la ampliación de las esclusas y la elevación obligatoria de sus compuertas para el paso de las inundaciones, la retirada de las trampas para peces , que frecuentemente están obstruidas por hojas y basura flotante , reducción del número y ancho de las pilas de los puentes cuando se reconstruyan, y sustitución de vertederos móviles por vertederos macizos. [4]
Instalando medidores en un río bastante grande y sus afluentes en puntos adecuados, y manteniendo registros continuos durante algún tiempo de las alturas del agua en las distintas estaciones, el aumento de las inundaciones en los diferentes afluentes, los períodos que tardan en descender a estaciones definidas en el río principal, y se puede determinar la influencia que ejercen individualmente sobre la altura de las inundaciones en estos lugares. Con la ayuda de estos registros, y observando los tiempos y alturas de la crecida máxima de una inundación particular en las estaciones de los distintos afluentes, se puede conocer la hora de llegada y la altura de la crecida máxima en cualquier estación del río principal. predecirse con notable precisión dos o más días antes. Al comunicar estos detalles sobre una inundación importante a lugares en la parte baja del río, los encargados de las presas pueden abrir completamente las presas móviles de antemano para permitir el paso de la inundación, y los habitantes ribereños reciben advertencias oportunas de la inundación inminente. [4]
Cuando partes de una ciudad ribereña están situadas por debajo del nivel máximo de inundación, o cuando es importante proteger de las inundaciones las tierras adyacentes a un río, el desbordamiento del río debe desviarse hacia una presa contra inundaciones o confinarse dentro de terraplenes continuos a ambos lados. . Al colocar estos terraplenes algo alejados del margen del lecho del río, se proporciona un amplio canal de inundación para la descarga del río tan pronto como se desborda de sus orillas, dejando el canal natural inalterado para el flujo ordinario. Los terraplenes bajos pueden ser suficientes cuando en las praderas sólo es necesario excluir las inundaciones excepcionales de verano. Ocasionalmente, los terraplenes se elevan lo suficiente como para retener las inundaciones durante la mayoría de los años, mientras que se toman medidas para el escape de las raras y excepcionalmente altas inundaciones en lugares especiales de los terraplenes, donde se protege contra la socavación de la corriente y la inundación. del terreno vecino es el menos perjudicial. De esta manera, se evita el aumento del coste de los diques levantados por encima del nivel de inundación más alto, que rara vez ocurre, así como el peligro de rupturas en los diques debido a una crecida inusualmente alta y un flujo rápido, con sus efectos desastrosos. [4]
Una objeción muy seria a la formación de terraplenes altos y continuos 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 depósito, lo que produce un aumento en el nivel de inundación y requiere un levantamiento de los terraplenes para evitar inundaciones. Los cortes longitudinales del río Po, tomados en 1874 y 1901, muestran que su lecho se elevó materialmente durante este período desde la confluencia del Ticino hasta debajo de Caranella, a pesar de la limpieza de sedimentos provocada por la avalancha a través de las brechas. [ cita necesaria ] Por lo tanto, la finalización de los terraplenes, junto con su levantamiento, solo eventualmente agravaría los daños de las inundaciones que fueron diseñados para prevenir, ya que el escape de las inundaciones del río crecido debe ocurrir tarde o temprano. [4]
En el Reino Unido, los problemas de inundación de propiedades domésticas a principios del siglo XXI han sido atribuidos [ ¿ a quién? ] sobre controles de planificación inadecuados que han permitido el desarrollo en llanuras aluviales. Esto expone a las propiedades en la llanura aluvial a inundaciones, y la sustitución de estratos naturales por hormigón 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 esto se hizo 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 necesaria ]
La canalización de una corriente puede realizarse por varias razones. Una es hacer que un arroyo sea más adecuado para la navegación o para la navegación de embarcaciones más grandes con calados profundos. Otra es restringir el agua a una determinada área de las tierras del fondo natural de un arroyo 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 darle a un arroyo un canal lo suficientemente grande y profundo para que las inundaciones más allá de esos límites sean mínimas o inexistentes, al menos de forma rutinaria. Una razón importante es reducir la erosión natural ; Como un canal 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 tierra vegetal preciosa de las esquinas exteriores donde fluye rápidamente debido a un cambio. en dirección. A diferencia de la arena y la grava, la capa superior del suelo erosionada no se deposita en el interior del siguiente rincón del río. Simplemente se lava.
La canalización tiene varios efectos predecibles y negativos. 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, se ha citado la canalización del río Kissimmee de Florida como una de las causas que contribuyen 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 del área canalizada, ya que grandes volúmenes de agua que viajan más rápido de lo normal pueden llegar a puntos de estrangulamiento en un período de tiempo más corto del que lo harían de otra manera, con un efecto neto del control de inundaciones en un área a expensas. de inundaciones muy agravadas en otro. Además, los estudios han demostrado que la canalización de los arroyos provoca una disminución de las poblaciones de peces de los ríos. [3] : 3-1 y siguientes
Un estudio realizado en 1971 sobre el río Chariton en el norte de Missouri , Estados Unidos, encontró que la sección canalizada del río contenía sólo 13 especies de peces, mientras que el segmento natural de la corriente 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 debe a la reducción del hábitat, la eliminación de rápidos y charcas, una mayor fluctuación de los niveles de los arroyos y la temperatura del agua, y el cambio de sustratos. La tasa de recuperación de un arroyo una vez que ha sido 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 citadas anteriormente, en los últimos años la canalización de corrientes se ha visto muy restringida en Estados Unidos y, en algunos casos, incluso se ha revertido parcialmente. En 1990, el Gobierno de los Estados Unidos publicó una política de " ninguna pérdida neta de humedales", según la cual un proyecto de canalización de arroyos en un lugar debe ser compensado por la creación de nuevos humedales en otro, proceso conocido como "mitigación". [8] [ necesita actualización ]
La principal agencia involucrada en la aplicación de 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 rocas en el lecho del nuevo canal para reducir la velocidad del agua, y los canales también se pueden curvar deliberadamente. En 1990, el Congreso de Estados Unidos dio al Cuerpo del Ejército un mandato específico para incluir la protección ambiental en su misión, y en 1996 autorizó al Cuerpo a emprender proyectos de restauración. [9] La Ley de Agua Limpia de EE.UU. regula ciertos aspectos de la canalización al exigir que entidades no federales (es decir, gobiernos estatales y locales , partes privadas) obtengan permisos para operaciones de dragado y llenado. Los permisos son emitidos por el Cuerpo del Ejército con participación de la EPA. [10]
A los ríos cuyo caudal tiende a ser bastante pequeño en su nivel bajo, o que tienen un caudal algo grande, como es habitual en la parte alta de los ríos, no se les puede dar una profundidad adecuada para la navegación simplemente mediante obras que regulen el caudal; su nivel ordinario de verano debe elevarse confinando el flujo con presas a intervalos a lo largo del canal, mientras que debe instalarse una esclusa a lo largo de la presa, o en un canal lateral, para permitir el paso de los buques. De este modo, un río se convierte en una sucesión de tramos bastante nivelados que se elevan escalonados río arriba, proporcionando una navegación en aguas tranquilas comparable a la de un canal; pero se diferencia de un canal en la introducción de presas para mantener el nivel del agua, en la disposición para la descarga regular del río en las presas y en que los dos umbrales de las esclusas se colocan al mismo nivel en lugar del El umbral superior se eleva por encima del inferior hasta la altura de la elevación de la esclusa, como es habitual en los canales. [4]
La canalización asegura una profundidad disponible definida para la navegación; y la descarga del río generalmente es suficiente para mantener el nivel del agua embalsada, así como para proporcionar el agua necesaria para las esclusas. Sin embargo, es probable que la navegación se detenga durante el descenso de grandes inundaciones, que en muchos casos superan las esclusas; y en los climas fríos de todos los ríos, necesariamente se detiene 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 la canalización, y varios ríos bastante grandes han proporcionado así una buena profundidad para los barcos que recorren 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]
A medida que los ríos avanzan hacia el mar, experimentan una disminución considerable en su caudal y un aumento progresivo de la cuenca que drenan, debido a la afluencia sucesiva de sus diversos afluentes. Así, su corriente se vuelve gradualmente más suave y su descarga de mayor volumen y menos sujeta a variaciones bruscas; y, en consecuencia, se vuelven más aptos para la navegación. Con el tiempo, los grandes ríos, en condiciones favorables, suelen proporcionar importantes vías naturales para la navegación interior en la parte inferior de su curso, como, por ejemplo, el Rin , el Danubio y el Mississippi . Las obras de ingeniería fluvial sólo son necesarias para evitar cambios en el curso del arroyo, regular su profundidad y, especialmente, fijar el canal de estiaje y concentrar en él el caudal, de modo que aumenten en lo posible la profundidad navegable en el punto de partida. etapa más baja del nivel del agua.
Las obras de ingeniería para aumentar la navegabilidad de los ríos sólo pueden emprenderse ventajosamente en ríos grandes con un caudal moderado y un caudal adecuado en su etapa más baja, ya que con un caudal grande la corriente presenta un gran impedimento para la navegación río arriba, y generalmente hay grandes variaciones en el nivel del agua, y cuando el caudal se vuelve muy pequeño en la estación seca. Es imposible mantener una profundidad suficiente de agua en el canal de bajamar. [4]
La posibilidad de asegurar la uniformidad de la profundidad en un río bajando los bancos de arena que obstruyen el canal depende de la naturaleza de los bancos de arena. Un banco blando en el lecho de un río se debe al depósito por una disminución de la velocidad del caudal, producida por una reducción de la caída y por un ensanchamiento del cauce, o por una pérdida de concentración de la socavación de la corriente principal al pasar. desde un banco cóncavo al siguiente en el lado opuesto. La reducción de tal banco mediante dragado sólo produce una profundización temporal, ya que pronto se forma nuevamente a partir de las causas que lo produjeron. Además, la eliminación de las obstrucciones rocosas en los rápidos, aunque aumenta la profundidad e iguala el flujo en estos lugares, produce un descenso del río por encima de los rápidos al facilitar el eflujo, lo que puede resultar en la aparición de nuevos bancos de arena en las partes bajas. etapa del río. Sin embargo, cuando estrechos arrecifes rocosos u otros bancos de arena 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 arriba y abajo, su eliminación puede resultar en una mejora permanente al permitir al río profundizar su cauce por socavación natural. [4]
La capacidad de un río para proporcionar una vía fluvial para la navegación durante el verano o durante la estación seca depende de la profundidad que se pueda conseguir en el canal en el nivel más bajo. El problema en la estación seca es la pequeña descarga y la deficiencia de socavación durante este período. Una solución típica es limitar la anchura del canal de estiaje, concentrar todo el caudal en él y también fijar su posición para que sea barrido cada año por las inundaciones que siguen la parte más profunda del lecho a lo largo del río. línea de la corriente más fuerte. Esto se puede lograr cerrando canales subsidiarios de aguas bajas con diques a través de ellos, y estrechando el canal en la etapa baja mediante diques cruzados de baja inmersión que se extienden desde las orillas del río cuesta abajo y apuntan ligeramente río arriba para dirigir el agua. fluyendo sobre ellos hacia un canal central. [4]
Las necesidades de la navegación también pueden requerir que se prolongue un canal navegable estable, continuo desde el río navegable hasta aguas profundas en la desembocadura del estuario . La interacción entre el caudal del río y la marea debe modelarse por ordenador o mediante modelos a escala, amoldándose a la configuración del estuario considerado y reproduciendo en miniatura el flujo y reflujo de la marea y la descarga de agua dulce sobre un lecho de arena muy fina, en en el que se pueden insertar sucesivamente varias líneas de muros de entrenamiento. Los modelos deberían poder proporcionar indicaciones valiosas sobre los efectos respectivos y los méritos comparativos de los diferentes planes propuestos para las obras. [4]
