Condiciones hidráulicas de cálculo en los encauzamientos para permitir la franqueabilidad en la migración de la fauna piscícola.

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2 2/12 Condiciones hidráulicas de cálculo en los encauzamientos para permitir la franqueabilidad en la migración de la fauna piscícola. GARCIA DÍAZ R. 1 1 Departamento de Ingeniería Forestal. E. T. S. I. de Montes. Universidad Politécnica Madrid. ricardo.garcia@upm.es Resumen En esta comunicación se exponen las condiciones y el método de cálculo que se deben aplicar en los encauzamientos en los ríos y torrentes para que éstos sean franqueables por los peces. Los parámetros que determinan el diseño y cálculo de las obras están en función de los siguientes factores: condiciones natatorias de cada especie o especies objeto del estudio, caudales medios en la época de migración y de las condiciones topográficas o geomorfológicas donde se desarrollarán las obras. Consecuentemente los encauzamientos se deben diseñar de tal forma que las velocidades y los saltos de agua sean admisibles por los peces que remonten el río. En los encauzamientos de pendiente constante, la velocidad del flujo del agua será inferior a la velocidad sostenida del pez. Los encauzamientos escalonados deberán cumplir que los valores de los desniveles entre dos escalones consecutivos sean admisibles por los peces. También es necesaria la existencia de un estanque aguas abajo del salto, con las dimensiones adecuadas para que el pez pueda impulsarse. También se diseñará el tramo de solera comprendido entre dos escalones para que se produzca un calado mínimo y velocidades inferiores a la velocidad sostenida para que el pez pueda remontarlo. Palabras clave Barreras de ríos, ecohidráulica, encauzamientos, migración de peces. 1. Introducción El mejor estado ecológico que puede tener un río es el más cercano a su estado natural original. Sin embargo, en algunos tramos donde los ríos atraviesan las ciudades o en correcciones de torrentes, es imprescindible realizar obras de canalización o encauzamiento para garantizar la imposibilidad de formación de inundaciones producidas por caudales provenientes de grandes precipitaciones o situaciones de fuertes erosiones o sedimentaciones. Con bastante frecuencia, esto es debido a que estas obras generan barreras para la migración de la ictiofauna porque normalmente no se tiene en cuenta la necesidad de mantener la franqueabilidad de los peces cuando se realizan el diseño y los cálculos hidráulicos de las mismas. Consecuentemente, en gran número de los casos se producen barreras producidas por unas excesivas velocidades y en menor medida por saltos de agua relativamente altos que imposibilitan ser remontadas en la mayor parte de especies y ejemplares. Entre los principales factores de amenaza para la supervivencia de los peces fluviales de España se encuentra la construcción de presas y obstáculos de todo tipo en los cauces de los ríos (ELVIRA, 1996). La existencia de una barrera impide los movimientos de dispersión y colonización, así como los propiamente migratorios. Como consecuencia del establecimiento de estos

3 3/12 obstáculos se llega a producir el fraccionamiento de las poblaciones holobióticas o la perdida de territorio fluvial de las migradoras diadromas (NICOLA et al. 1996). Esta problemática quedará resuelta si se imponen unas condiciones de velocidades máximas en los canales para los caudales normales en los periodos de migración. En los casos en que se realice una canalización escalonada será necesario limitar las alturas de estos escalones a los valores admisibles por gran parte de la población de las especies existentes, como también se deberá disponer de un pequeño canal central que concentre los caudales de cálculo de franqueabilidad, incluyendo deflectores o bolos (grandes piedras) para que produzcan la rugosidad suficientemente grande, que disminuya la velocidad dentro del canal interior. 2. Objetivos. El objetivo del presente estudio es desarrollar el método de diseño y cálculo en los encauzamientos y canalizaciones realizadas con los tipos de perfiles longitudinales de pendiente recta o de perfil escalonado de tal forma que no produzcan barreras a la fauna piscícola. 3. Método. El diseño de los encauzamientos depende, principalmente, de los siguientes factores: - Topografía. La topografía suele ser el factor fundamental por el que se elige el tipo de perfil: a) Pendientes grandes. Normalmente se opta por el perfil escalonado. b) Pendientes pequeñas. Se suele optar por el perfil con pendiente lineal que puede ser constante o quebrada. - Biología de la Ictiofauna. Los principales aspectos biológicos que se estudiarán son: a) Especie o especies principales existentes en el río (especies objetivos). b) Parámetros hidráulicos dependientes de las características biológicas: - Velocidad admisible para el pez y altura de los escalones, que dependen a su vez de: Especie. Longitud y altura del ejemplar determinan la dimensión de los estanques aguas abajo de los escalones; además se debe cumplir que el calado o profundidad del agua debe de ser superior a 1,5 veces la altura de los peces. c) Periodos del año en los que se realiza las migraciones, principalmente la migración para la reproducción. Las velocidades admisibles (V d ) de las especies de peces dependen a su vez de las siguientes velocidades: - Velocidad de crucero. Es la velocidad que pueden mantener durante horas. Esta velocidad solo proporciona valores de referencia, normalmente no se tiene en cuenta en el valor de la velocidad admisible.

4 4/12 - Velocidad sostenida. Es la velocidad que puede ser mantenida durante ciertos periodos de tiempo. Esta velocidad es la que debe considerarse admisible para el cálculo de las velocidades en las canalizaciones (V adm ), en los casos en que la canalización sea de longitud relativamente grande. La duración de la velocidad sostenida es muy variable; de hecho puede variar desde 15 segundos hasta 200 minutos dependiendo de las especies e individuos. - Velocidad punta o de sprint, es la velocidad resultante de un esfuerzo muy intenso y de poca duración, normalmente dura 15 segundos, después de este tiempo, el pez queda extenuado y no puede volver a nadar velozmente sin antes recuperarse. Está velocidad es utilizada por los peces cuando van a realizar el arranque en el salto. También, esta velocidad puede ser el parámetro de cálculo en condiciones puntuales extremas. Para los salmónidos se puede consultar el gráfico de Beach (1984) mostrado en la figura 1. Figura 1 Gráfica de la resistencia de los salmónidos sen relación con la velocidad y la temperatura Fuente BEACH modificado. - Caudales. Para el diseño de las obras, es necesario el conocimiento de dos tipos de caudales: 1. Caudales de cálculo para avenidas de un tiempo de retorno determinado (100, 200, 500 etc. años). Las obras de canalización tienen el objetivo de encauzar en la sección calculada los caudales del río para cuando se producen los eventos torrenciales de grandes periodos de retorno. En estas circunstancias, se deben cumplir las condiciones de estabilidad de las obras de encauzamiento y de las obras adicionales de franqueabilidad del canal. 2. Caudales de cálculo que generen velocidades o saltos de agua admisibles por los peces, es decir el caudal con el que se deben calcular las secciones, escalones, deflectores etc. Este caudal es el caudal de cálculo de la escala y corresponde al caudal representativo en

5 5/12 el periodo de migración, normalmente el periodo de migración principal se considera como periodo de reproducción. 4. Discusión. Métodos de diseño. Realizados los estudios anteriores se puede proceder al diseño de los encauzamientos. 1. Canal de perfil longitudinal con pendiente rectilínea. La pendiente puede ser constante; en el caso de que tenga siempre el mismo valor o también puede ser quebrada, en el caso de que el perfil esté formado por varias líneas rectas de distintos valores de pendientes. Este tipo de canalización es normalmente utilizada en los tramos de ríos con poca pendiente, por consiguiente es relativamente frecuente en los cursos medios y bajos de los ríos, aunque también es posible encontrarla en tramos altos. Es recomendable que esta opción se utilice solamente con pendientes relativamente pequeñas, porque si bien, la velocidad circulante se frenará por medio de una alta rugosidad del lecho creada por piedras de gran tamaño o bien por la instalación de deflectores, este efecto de freno provocado tiene un límite, además pueden aparecer problemas intrínsicos en la estabilidad de la obra generados por las velocidades altas (tensión de arrastre alta, subpresión etc. En este tipo de perfil se pueden aplicar varios tipos de secciones: 1.1 Sección transversal rectangular o trapezoidal. Los diseños más sencillos son los de sección transversal rectangular o trapezoidal. En estos casos, el cálculo no implica ninguna modificación en el método habitual de cálculo, puesto que el valor de la pendiente j deberá ajustarse en mayor o menor aproximación a la pendiente existente en el curso natural. Para conseguir que la velocidad esté dentro del valor admisible se debe tantear entre los dos parámetros restantes que son la anchura b de la sección, la cual condiciona el calado h y la rugosidad. En el caso de que también la anchura esté prefijada (bien por topografía o por la situación urbanística), entonces sólo se podrá disminuir la velocidad. La disminución de la velocidad se puede llevar a cabo por dos métodos: - Rugosidad grande por gravas o por bolos. Esta rugosidad se conseguirá disponiendo de gravas o de bolos (piedras de mayor tamaño, llegando a medir de 0,6 a 1,2 m) adecuados con las dimensiones necesarias para crear la rugosidad determinada y así disminuir la velocidad hasta valores inferiores a la velocidad admisible considerada. - Deflectores. Por medio de la instalación de deflectores en la base del canal se consigue una notable disminución de la velocidad del flujo. Si bien, se debe tener en cuenta que debido a la existencia de deflectores, pueden producirse la deposición de acarreos, lo que perjudicaría la evacuación de los caudales por la disminución de la sección efectiva. Para ello habría que disponer de algún dispositivo de sedimentación como, por ejemplo las plazoletas de sedimentación o la instalación de protectores de rejillas. 1.2 Sección transversal compuesta. Esta sección consiste en la suma de dos secciones rectangulares o bien la sección mayor trapezoidal y la menor rectangular; siendo ésta última la sección central de pequeñas dimensiones para desaguar pequeños caudales, en el

6 6/12 presente caso sería para el caudal de cálculo de la escala. La sección mayor es la resultante del cálculo capaz de absorber el caudal correspondiente al caudal del periodo de retorno considerado (este tipo de sección es la existente en el pueblo de Collado Villalba en la provincia de Madrid). Determinados los dos caudales se calcula cada una de las secciones, según el método de cálculo de la sección compuesta, según VEN TE CHOW (1982). En el caso de que el caudal de cálculo de la escala genere velocidades por encima de las admisibles se deberá realizar alguna obra adicional en la sección inferior para conseguir el freno del flujo. Sección de grandes caudales Sección de bajos caudales Deflectores Figura 2: esquema de sección compuesta con deflectores. 1.3 Otros tipos de secciones transversales. También se pueden utilizar otros tipos de secciones que puedan aportar naturalidad al encauzamiento, si bien estas secciones deben seguir siendo válidas para los caudales de avenida. Se podrían proponer paredes de bioingeniería, encauzamientos de lechos erosionables, etc. 2. Canal de perfil escalonado. Cuando el río adquiere un valor de pendiente relativamente alto o es un curso torrencial o con proceso de erosión/sedimentación es más recomendable realizar el encauzamiento con perfil longitudinal escalonado. El diseño del escalonamiento será en primera aproximación por medio del perfil longitudinal del río y según el diseño hidráulico convencional del mismo pero imponiendo la condición de que la altura del salto no sea superior a la altura máxima admisible para la especie objeto del río y que la velocidad que se desarrolle entre salto y salto sea menor a la velocidad admisible. Por lo tanto, las condiciones que debe cumplir este perfil son: a) La altura del escalón H, debe ser inferior a la altura máxima admisible para la especie h adm. b) La velocidad que adquiere el flujo en la superficie del tramo entre escalón y escalón, debe de ser inferior a la velocidad admisible V adm (Velocidad sostenida o puntualmente a la velocidad punta de la especie, o una combinación de las dos. c) Al pie del escalón debe de existir un pequeño estanque de longitud mínima de 3 m y 0,40 m de profundidad, con la finalidad de que los peces puedan disponer de la longitud y profundidad adecuada para que consigan desarrollar la velocidad de propulsión necesaria vencer la altura de desnivel del escalón.

7 7/12 La velocidad debe de ser inferior a V< V adm. la velocidad admisible H< h adm. La altura de los saltos H debe ser inferior a la altura máxima admisible para que pueda ser remontable por los peces (por ejemplo 0,4 m para los salmónidos). Estanques previos al salto para que el pez pueda impulsarse Figura 3 Esquema del perfil longitudinal escalonado. Los valores de los parámetros anteriormente mencionados, es decir la altura máxima admisible de salto h adm y la velocidad admisible V admi dependen de la especie y del tamaño del pez. Normalmente la mayor parte de los encauzamientos con este perfil longitudinal se realizan en los cursos altos de los ríos, y por lo tanto una proporción alta de especies piscícolas que habitan estos tramos serán salmónidos. En el caso de la trucha el valor del salto máximo no deberá ser superior a 0,4, ó 0,5 m, cuando se trate de un número relativamente numeroso de escalones. Excepcionalmente si existen pocos saltos o existen numerosas zonas de descanso esta altura puede ser superior como también la velocidad admisible, incluso pudiendo llegar a alcanzar valores cercanos a la velocidad punta. La disminución de la velocidad dentro de la superficie de la parte del tramo horizontal se puede conseguir de las dos maneras anteriormente mencionadas: a) Deflectores. b) Rugosidades grandes realizadas con gravas y/o bolos. Método y detalles de cálculo. 1. Deflectores. Los deflectores son poliedros longitudinales con la dimensión de la longitud más grande que las otras dos dimensiones restantes. Estos elementos son colocados en el canal en posición transversal y oblicua con el doble objetivo de frenar el flujo de agua y/o concentrarla en la zona central. En la figura 4 se muestra un esquema de la disposición de los deflectores con las dimensiones de cada uno de los elementos en función de la anchura (w) según LARINIER (2002).

8 8/12 0,26 W 0,20 w 0,38w w 0,95 W 30 º 1,12 W Figura 4. Esquema de deflectores. Fuente Larinier modificado. Donde w es la anchura del canal, en este caso de la sección transversal. Para garantizar la efectividad de los deflectores instalados en los tramos de los salmónidos se deben cumplir las siguientes condiciones según LARINIER (2002): a) Si la longitud es superior a 24 m entonces la velocidad debe de ser inferior a 1,2 m/s. Si la longitud es mayor a 24 m entonces la velocidad debe de ser inferior a 0,9 m/s. b) El calado no puede ser inferior a 0,23 m en ningún punto del paso. c) No se debe producir una bajada brusca del nivel mayor de 0,31 m. d) El caudal de cálculo para la estabilidad tendrá un tiempo de retorno que como máximo será de 100 años. e) La pendiente del paso de agua con los deflectores nunca debe de sobrepasar el 5 %. d) La altura de los tabiques debe de ser superior a 0,3 m. El cálculo de la anchura w está en función del caudal que atraviesa la anchura existente entre los deflectores. En principio la situación óptima sería la que se produce cuando el caudal que entra por el canal llega a la altura de los deflectores sobrepasándolos levemente; si son sobrepasados en una ligera altura tampoco supone un grave inconveniente. Se puede considerar el caudal que atraviesa el canal como el correspondiente a una sección rectangular de anchura 0,20 w por la altura de los deflectores, considerando un coeficiente de contracción y por la velocidad de caída con la pendiente correspondiente a la solera corregida según el ángulo que realiza el flujo con respecto a la dirección longitudinal. El límite superior de la pendiente es del 5 %. Los encauzamientos con perfil recto no deben de sobrepasar este valor de la pendiente. Por lo tanto, en principio se pueden utilizar deflectores para frenar la velocidad en todas las obras de encauzamientos de perfil rectilíneo. B. Rugosidades creadas por gravas y/o bolos. El segundo método utilizado para frenar la velocidad es por medio de la creación de rugosidad por el relieve generado por gravas o grandes piedras denominadas bolos. El tamaño de las mismas dependerá de la velocidad máxima admisible, de tanto en cuanto, a mayor tamaño mayor rugosidad y consecuentemente mayor freno. La velocidad del flujo se calcula por algunos de los siguientes métodos:

9 9/12 B.1. Resistencia del flujo por perturbación de piedras relativamente pequeñas. Este método es recomendable en pendientes constantes y relativamente pequeñas. En este caso, las piedras que se inserten en el canal serán relativamente pequeñas y de tamaños homogéneos. La velocidad se puede calcular por medio de la medio de la fórmula de Darcy-Weisbach. Donde r hy es el radio hidráulico., es el coeficiente de resistencia que ofrece el lecho al flujo e I es la pendiente. La determinación del mismo se puede realizar, entre otras, de alguna de las dos maneras siguientes: - Para flujos uniformes y cuando k s < 0,45 r hy. 1 s hy v = 2 log Donde k s es el coeficiente de rugosidad equivalente de la arena. Este coeficiente es reemplazado por el valor del diámetro medio d s (diámetro medio) de la grava en el caso de que de que el fondo sea de grava homogénea y el valor de d 90 en el caso de que el sustrato sea una mezcla de gravas y/o piedras. - En el caso de flujos más turbulentos en canales más rugosos, revestidos de piedras de bloque en la base, se puede estimar la rugosidad de la siguiente manera (SCHEUERLEIN 1968): 1 k = 3,2 log [( )] h m Donde h m es la profundidad media del agua. k puede tomar valores desde 1/3 hasta 1/2 el diámetro medio d s, cuanto mayor heterogeneidad, k debe ser menor. k 14 / r,84 Para la velocidad media del flujo de área A, el caudal Q es. Q B. 2. Resistencia del flujo por la perturbación de las grandes piedras (bolos). 1 m = 8 = Otra forma de crear rugosidad alta es colocar piedras de grandes dimensiones (bolos) embebidos en el lecho como los que aparecen en el esquema adjunto (figura 5): v m A gr hy I

10 10/12 Figura 5 Fuente Fish passes FAO and DVWK (2002) modificado. Los valores de cada una de las variables mostrados en la figura 5 se explicarán en los párrafos siguientes. Esta disposición con bolos podría tener interés en aquellos ríos con situaciones de bajo caudal porque en situaciones de niveles mínimos el agua se concentra entre los grandes bolos produciendo pequeños regueros que permiten el transito de los peces. La existencia de los bolos influye en la rugosidad del lecho, el coeficiente de resistencia puede ser calculado por el método de ROUVE (1987). tot = s + o (1 ε ( 1 ε ) v ) o Donde: Σ V s = Volumen de las grandes piedras, V tot es el volumen total (sección mojada por longitud del tramo, A I). Σ A o, s es la superficie del área de las grandes piedras. A o,tot es el área total de la base de I u.i (siendo I u el perímetro mojado y I la longitud del tramo, ver figura 5). Donde: c w es el coeficiente de forma del arrastre, tomando normalmente el valor 1,5; A s = d s h*. A s es el área mojada del bolo y h* toma el valor del calado medio h m del agua (de la figura 5) en el caso de que el agua fluya alrededor de la piedra, es decir sin llegar a cubrirla. Por el contrario cuando la piedra está totalmente sumergida el valor de la altura será h s, y d s es la anchura transversal de la piedra (ver figura 5). El valor de c w 1,5 debe de ser considerado válido según los siguientes límites:

11 11/12 - Espaciamiento entre grandes piedras: a x = a y = 1,5 a 3 d s, a y - d s >1,5. - Calado del agua h m /h s < 1,5. - Pendiente < 1:20. El coeficiente o puede ser calculado por medio del método de la formula de Darcy Weisbach expuesto anteriormente. En numerosas aplicaciones prácticas se suele despreciar los valores de ε v y de ε o y calcular el coeficiente de resistencia por medio de la expresión: s tot = s + o = c w Siendo d s, a x y a y los valores mostrados en la figura 5; siendo a x y a y las distancias entre las piedras (a x es la distancia longitudinal al flujo y a y la distancia transversal al flujo) cuando solo existe una piedra por sección el valor de la distancia transversal a y toma el valor de la anchura del canal. La velocidad media del flujo se obtiene por la fórmula anteriormente expuesta: 1 v m = 8 gr hy I El cálculo del caudal se calculo por la formula también vista anteriormente: Q = Es importante conocer la velocidad máxima V max, entre las secciones de las piedras para saber si es accesible por el pez, este valor se pude calcular por medio de la ecuación: v max = 1 v Donde A tot es la superficie despejada (sin perturbación de las grandes piedras bolos ) y As es la suma de las áreas mojadas de todas las grandes piedras (bolos) dentro de una sección angosta. 4 a m V x A a A m A s y tot A s 5. Conclusiones. - Los canales y encauzamientos en ríos y torrentes según se han realizado hasta la actualidad pueden generar una barrera infranqueable para la ictiofauna. Para evitar tal problemática se deben imponer algunas limitaciones y condiciones a los diseños de los canales para que los valores de las velocidades y de los desniveles de aguas sean accesibles para los peces. - En los encauzamientos con pendientes pequeñas normalmente se suele optar por el perfil longitudinal de pendiente recta. En este caso se consigue disminuir la velocidad del flujo de agua por medio de deflectores hasta pendientes de 5% o por medio de lechos rugosos con gravas o piedras.

12 12/12 - Los lechos rugosos se calcularán en función de las dimensiones de las gravas o piedras, para flujos uniformes y cuando el k s < 0,45 r hy con flujos homogéneos se utilizará la formula de Darcy-Weisbach cuando aumenta la rugosidad y la turbulencia se debe usar la fórmula de Scheuerlein, si se opta por canales con bolos, la rugosidad se calcula por medio de la fórmula de Rouve. - En los encauzamientos con pendientes grandes se suele optar por el perfil longitudinal escalonado. En este caso el diseño debe de realizarse con saltos de agua menores a la altura admisible por la especie, y la velocidad en el tramo con pendiente horizontal o ligeramente inclinada entre salto y salto con la introducción de deflectores o grandes rugosidades como en los canales de baja pendiente, en aquellos casos en que sea necesario. 6. Bibliografía. BEACH. M. H Fish pass design. Criteria for the design and approval of fish passes and other structures to facilitate the passage of migratory fish rivers. Ministry of Agriculture, Fisheries and Food, Fisheries Research Technical Report. Lowestoft, nº 78, 46 p. CHOW VEN TE Hidráulica de los canales abiertos. ed Diana México. ELVIRA, B. NICOLA, G.G. & ALMODOVAR A (1996) Impacto de las obras hidráulicas en la ictiofauna. Dispositivos de pasos para p eces en las presas de España. Madrid. Edita Organismos Autónomos Parques Nacionales (Ministerio de Medio Ambiente).pag FAO, DVWK, (Food and Agriculture Organization of the United Nations) Fish passes- Design dimensions and monotoring 116 p. Roma. LARINIER, M 1992C. Implanctation des passes a poissons.-bulletin Français de la Pêche et de la Piscicultura, : NICOLA, G.G. B. ELVIRA & A. ALMODÓVAR (1996) Dams and fish passage facilities in the large rivers of Spain: effects on migratory species.- archive für Hydrolobiologie, 113 (10):pag ROUVÉ et al. (1987): Hydraulische Probleme beim naturnahen Wasserbau. DFG- Forschungsbericht, Weinheim (VCH Verlagsgesellschaft). SCHEUERLEIN H, Der RaughgerinnealfhnB. Bericht der versachsanstalt für vasserban der T U. München 14.