Utilidad de la hidráulica fluvial

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1 Utilidad de la hidráulica fluvial Juan Pedro Martín Vide DESCRIPTORES HIDRÁULICA FLUVIAL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS INCISIÓN TORRENCIALIDAD EROSIÓN MODELOS REDUCIDOS TER BESÒS TORDERA LLOBREGAT Introducción Este artículo pretende llamar la atención sobre la importancia de algunos fenómenos físicos de hidráulica fluvial en el tema de esta publicación, Ríos e inundaciones. La hidráulica fluvial es una disciplina que estudia la circulación en los cauces de los ríos, para lo que emplea conocimientos de mecánica de los medios fluidos (el agua) y de los medios formados por partículas (el sedimento), sin olvidar las leyes propias del desarrollo de la vegetación. Otros enfoques del tema Ríos e inundaciones subrayarán la intervención del hombre cuando planifica, ordena, proyecta, presupuesta o maneja una cuenca fluvial. En todo ello se pueden definir políticas. En cambio, nuestro objetivo es mostrar aquello específico del río, que explicarían las leyes de la dinámica y ante lo cual más bien hay que comportarse en primer lugar como un observador. Recordemos que los ríos no son objetos o procesos creados por el hombre. Probablemente la asociación de los términos río e impacto ambiental lleve a la mente de la mayoría la calidad del agua, la flora y la fauna. La vida vegetal y animal se ha adaptado a la forma y tamaño de los cauces, que son resultado de la circulación de agua y sólidos, en interacción con la vegetación. Por ello, las alteraciones del medio son en primer lugar impactos físicos y a continuación impactos ambientales en el sentido corriente de la palabra. La alteración puede conducir a un desequilibrio de un río, es decir, a una pérdida del equilibrio en el perfil longitudinal y en las formas en planta y sección, quizás irreversible. Desgraciadamente los ríos son sistemas físicos muy vulnerables. De la utilidad del conocimiento en hidráulica fluvial es de lo que se quiere persuadir al lector, por medio de los ejemplos que se presentan seguidamente, extractados de casos reales. Ejemplo 1: la ambigüedad de proteger el medio ambiente (isla del Ter en Girona) 1 Girona está atravesada por el río Onyar, que desemboca en el Ter por su margen derecha en las afueras de la ciudad. El Onyar ha causado históricamente graves inundaciones. En el lugar de confluencia existe una isla que hacia 1976 parecía reciente y formada por depósitos eventuales y muy móviles (Fig. 1). Desde el mismo punto de vista, en 2003 el contraste es notable porque hoy la cubre una frondosa vegetación (Fig. 2). Además, la isla es considerada como un paraje natural que merece protección. En el período de 1962 a 1968 se construyeron las presas de El Pasteral, Sau y Susqueda en el río Ter, aguas arriba de Girona. Su efecto de laminación de avenidas explicaría que la vegetación haya proliferado desde entonces de tal manera, ya que faltan las crecidas capaces de arrancarla o desmocharla. Además, la cartografía y la datación de unas catas realizadas en la isla prueban que ha crecido en extensión hacia aguas arriba, por depósito de gravas y bolos, en los últimos 40 años. Probablemente también ha crecido en altura por la combinación de la sedimentación de material más fino, más fácil debido al frenado del agua por la vegetación, y por el crecimiento del suelo vegetal. Con un modelo integrado del transporte sólido se ha deducido que el Onyar trae unos m 3 de arenas cada año, no necesariamente con caudales extraordinarios, parte de los cuales probablemente sedimenta, especialmente en el brazo derecho, que está experimentando un proceso de elevación (se va convirtiendo en lo que se llama un cauce colgado ). El río Ter, por el contrario, solo parece ser capaz de transportar material en avenidas importantes, hoy menos frecuentes. Los fondos del río y sus afluentes están acorazados (com- 44 I.T. N. O

2 Figs. 1 y 2. A la izquierda, isla del Ter en Girona, hacia 1976 (J. de Camps, El Ter, Destino, Barcelona 1976). A la derecha, desde el mismo lugar en abril de puestos de un tamaño de material aluvial más grueso que la media). Pese a todo ello, su transporte sólido grueso y ocasional ha hecho crecer la isla. El crecimiento de la isla y de su vegetación suponen un obstáculo creciente al flujo y por tanto un incremento del riesgo de inundación de Girona por el río Onyar. El funcionamiento hidráulico de la confluencia de los dos ríos es tal, que el caudal del Ter también influye en el riesgo de inundación porque dificulta el desagüe del Onyar. La isla es un espacio natural apreciado pero artificial, en el sentido de que es la regulación hidrológica del Ter la que ha creado las nuevas condiciones para su desarrollo vegetativo. Bajo un régimen natural del río seguiría siendo un terreno raso y pedregoso. Ciertamente, este nuevo medio ambiente puede merecer una protección, aunque sea un medio domesticado. Pero su protección a toda costa, más aún cuando induce un riesgo, parece una posición menos razonable si recordamos su origen. Las medidas posibles para facilitar el flujo, por limitadas que sean, inevitablemente causarán un cierto daño ambiental. Ejemplo 2: los fenómenos torrenciales (ramblas y ríos de montaña) 2, 3 Numerosos ríos de nuestra geografía son ramblas, es decir, ríos efímeros, con cauces muy anchos (a veces difusos), muy permeables, de fuerte pendiente y con crecidas súbitas. Algunas de estas características (la pendiente alta y las avenidas súbitas, en particular) emparentan las ramblas con los ríos torrenciales, frecuentemente de montaña, pero en cualquier geografía y clima. Las ramblas y estos ríos de montaña pueden experimentar fenómenos torrenciales. Se entiende por tal un flujo con un transporte de sólidos, finos y gruesos, tan abundante que la altura y la velocidad del escurrimiento se modifican: la masa se mueve más lenta y consecuentemente alcanza alturas mayores que si fuera agua clara. Cuando la concentración de sólidos pasa del 40 % la masa se puede romper en oleadas (flujo discontinuo). A pesar de que hay experiencia cercana de estos fenómenos, al examinar un caso real parecemos siempre sorprendidos de hasta dónde llegó el agua. El conocimiento no parece haber entrado en la práctica de los estudios hidráulicos, en los que una hipótesis siempre tácita es ese flujo de agua clara, que deja el cálculo del nivel del agua del lado de la inseguridad. El registro de los niveles y la estimación de los caudales en fenómenos torrenciales reales es una información valiosísima. Gracias a un esfuerzo de este tipo conocemos las secciones de flujo en la riera de Las Arenas (Barcelona) en la trágica avenida del 25 de septiembre de 1962 (Fig. 3). Se dice que la concentración de sólidos fue de un 38 % y la densidad relativa del fluido quizá de 1,20. Como se conoce bien la composición granulométrica del cauce, el coeficiente de rugosidad de Manning está comprendido con toda seguridad entre 0,025 y 0,030. Por ello, si el flujo hubiera sido de agua clara, por las tres secciones de la figura 3 habrían circulado 1.100, 950 y m 3 /s respectivamente (caudales llamados virtuales), cuando por cálculos hidrometeorológicos fueron en realidad de 320, 350 y 635 m 3 /s. Esta enorme diferencia (el triple) es una expresión de la magnitud del fenómeno torrencial. Otra manera de expresarlo es decir que el coeficiente de rugosidad equivalente del flujo torrencial fue 0,090, 0,070 y 0,075 respectivamente. La práctica del cálculo de ramblas y ríos torrenciales necesita urgentemente de métodos para tener en cuenta este incremento de nivel debido al transporte sólido torrencial. La vía no es otra que las leyes de la dinámica. A partir de ellas se pueden formular algunos métodos sencillos. Por ejemplo, los niveles de la figura 3 se pueden pronosticar por la ecuación de la cantidad de movimiento, en la que los sólidos frenan al agua, si se supone un 10 % de finos y un 8 % de gruesos en el flujo. M.D. M.I. M.I. P-1 (RIERA DE RUBÍ) AGUAS ARRIBA DE MATADEPERA Pendiente = 0,0325 Escala 1:400 P-2 (RIERA DE RUBÍ) AGUAS ABAJO DE MATADEPERA Pendiente = 0,0294 Escala 1:400 P-3 (RIERA DE RUBÍ) LAS FONTS DE TARRASA Pendiente = 0,0119 Escala 1:400 Fig. 3. Secciones de flujo en una rambla: la riera de Las Arenas en Terrassa (1962). M.D. M.D. M.I. I.T. N. o

3 Fig. 4. Río Valarties en Arties (Lleida) después de la avenida de 1963 (izquierda) y desde el mismo punto de vista hoy (centro). Ala derecha, plano de líneas de nivel de los depósitos sólidos de La figura 4 sirve para ilustrar fenómenos parecidos en ríos de montaña, concretamente en el río Valarties (Valle de Arán, Lleida). Las fotos del desastre ocurrido el día 3 de agosto de 1963 han servido hoy para reconstruir un mapa de la posición y grosor de los depósitos de la avenida. Hay líneas de 1 y 1,5 metros junto al cauce y de dos metros (incluso 2,5 m) de grosor por las calles, como muestran las fotos. El pueblo está enclavado en el cono de deyección del río, en su desembocadura en el río Garona, y los depósitos no son, en sentido geomorfológico, sino un episodio de la formación del cono. En este caso, es decisivo el hecho de que los flujos torrenciales tienen tendencia a rellenar de acarreos sus propios cauces, incluidos obviamente los hechos por el hombre. Si solo se piensa en agua clara, los cauces pueden ser suficientes, pero no son adecuados para el transporte de masas torrenciales. La pérdida de capacidad por los depósitos implica el desbordamiento. Figs. 5 y 6. Arriba, modelo físico del río Besòs en Montcada (Barcelona), distorsionado, con lecho fijo de grava y con las plantas de plástico. Abajo, foto de un tramo del río tras la restauración. Ejemplo 3: la complejidad de los meandros (restauración del río Besòs) 4 El río Besòs, que desemboca al norte de Barcelona, fue encauzado en 1975 por medio de un cauce de avenidas de 130 metros de anchura y capacidad de m 3 /s. Desde 1996 a 2004 se han ejecutado obras de restauración en este cauce. A lo largo de 4,1 kilómetros se han construido humedales para la depuración natural de las aguas, con plantaciones de carrizo. Afortunadamente, se abrió paso la idea de dejar que el cauce principal del río desarrollara unos meandros naturales, de modo que se han conservado en el fondo y las orillas las gravas del río. No es difícil, aunque sí sujeto a incertidumbre, determinar las dimensiones de tal cauce principal natural. Lo básico es calcular un caudal dominante, que en el Besòs resulta 54 m 3 /s (el caudal medio es 4 m 3 /s). A partir de este valor, se pueden proponer las características del cauce. La figura 5 es una foto del modelo físico de lecho fijo, a escalas 75 en horizontal y 30 en vertical (distorsión de 2,5), construido para analizar la circulación del agua en presencia de los humedales y del cauce principal meandriforme. El mayor desafío de este modelo ha sido reproducir correctamente la resistencia al flujo del carrizo, que dada su flexibilidad es variable según el caudal. La distorsión vertical del modelo, además de mejorar la precisión de las medidas, permitió el uso de plantas de plástico para simular el carrizo. Por su parte la superficie aluvial del río, debido a la distorsión, se ha de representar con una grava gruesa. 46 I.T. N. O

4 Las medidas sistemáticas de velocidad en el modelo han servido para descubrir que la zona más veloz (lo que se llama a veces el brazo vivo ) tiene una cierta sinuosidad, más suave que la del cauce principal. La distribución de las masas de vegetación determina la dirección ondulada del brazo vivo mucho más que los meandros del cauce principal, debido a que los calados son grandes (unos 5 m en prototipo). Los modelos matemáticos bidimensionales integrados verticalmente reproducen bien este comportamiento. Un modelo matemático unidimensional como Hec-Ras, hoy prácticamente universal en hidráulica fluvial, reproduce bien los niveles de agua, pero mal las velocidades (la del cauce por exceso, las de las llanuras por defecto). Esto es debido a que en la superficie fluida de separación entre el cauce y las llanuras existen fuerzas de fricción y de cambio de cantidad de movimiento que un modelo como Hec-Ras no puede tener en cuenta. Estos resultados deben avisarnos de que un modelo tan aceptado puede tener errores importantes en el pronóstico de las velocidades. Fig. 7. Pila del puente de la carretera N-II. La eosión total desde su construcción (en los años treinta) es de 3,0 metros aproximadamente. Ejemplo 4: la incisión fulminante (río Tordera) 5 El río Tordera ofrece un primer ejemplo de un desequilibrio fluvial de gran magnitud. En su tramo bajo es un cauce ancho de arena gruesa de unos dos milímetros de diámetro. Se han conseguido datos que permiten un análisis de la evolución del perfil del río desde 1910, constatándose un descenso de unos 30 centímetros hasta 1973, de 1,6 metros de 1973 a 1987 y de 1,0 metros de 1987 a Los puentes son los mejores testigos de la erosión general del río, como el de la carretera N-II (Fig. 7). La incisión del río no es uniforme a lo largo de los 20 kilómetros del tramo estudiado, sino que ha sido más intensa en los últimos años en la parte superior del tramo, como si se tratase de una erosión regresiva que remonta hacia aguas arriba. La historia del río está marcada por las crecidas y las extracciones de áridos. Las avenidas de 1962, 1969, 1971 y 1982 son las más importantes. Algunos períodos de grandes extracciones de áridos son y y siguientes, vinculados a obras de reparación o reposición de defensas dañadas por las avenidas. La prohibición de las extracciones dentro y fuera del cauce es de Las dos mayores extracciones han sido evaluadas en dos millones de metros cúbicos. La causa de la incisión del río Tordera puede ser esta gran extracción de áridos, aunque también pueden haber contribuido las obras de encauzamiento y viarias y quizá los cambios en el uso del suelo en la cuenca. Como obra de encauzamiento, en 1971 se recortó el 40 % de la anchura del cauce a lo largo de dos kilómetros, cerca del puente de la N-II. En cuanto a la cuenca, se han abandonado tierras agrícolas en provecho del bosque, lo que produce una disminución del material sólido disponible. El estrechamiento del cauce y la pérdida de caudal sólido son, según los modelos conceptuales de equilibrio fluvial, 6 causas de erosión general. Las avenidas, por su parte, serían los agentes capaces de desarrollar estos cambios, aunque también caudales menores, como el dominante, serían responsables de la evolución a largo plazo del perfil longitudinal. La retirada de material aluvial produce una erosión general que se propaga tanto aguas arriba como aguas abajo. Los mayores descensos ocurrieron en el período , de grandes extracciones (con la obra de 1971 ejecutada), pero en el siguiente período de 15 años el proceso de incisión (más intenso arriba) no ha terminado, aun sin realizarse ya extracciones. Es lógico esperar que la prohibición frene la incisión, pero esto ocurrirá a largo plazo. Otros ejemplos de incisión fulminante en los últimos 30 años se encuentran muy fácilmente en nuestra geografía. Ejemplo 5: los estrechamientos y ensanchamientos por culpa de vías (río Llobregat) 7 El río Llobregat, que desemboca al sur de Barcelona, ha sufrido en la comarca del Baix Llobregat una gran presión de las infraestructuras viarias. En 1954 tenía un cauce principal sinuoso, con una morfología entre meándrica y trenzada, que dejaba ver grandes barras aluviales (Fig. 8). La anchura de la planicie iba de 500 metros (en un punto de control geológico) hasta dos kilómetros aguas abajo. En los años setenta se construyó la autopista ocupando la llanura de inundación derecha (línea azul en la figura 9). Como en un espejo, en los años la llanura izquierda se vio ocupada por la construcción de la autovía (línea roja en la figura 9). La anchura que queda hoy entre una y otra vía está comprendida entre 300 y 400 metros solamente. Los estudios realizados para esta última vía se limitaron a garantizar la capacidad hidráulica del río. Para ello, se construyó un cauce central ancho, hasta de 120 metros de anchura, y hondo, hasta de cinco metros de profundidad (véase la figura 10). La capacidad perdida al estrechar la llanura se ganaba con este cauce central. Una avenida moderada, de caudal máximo metros cúbicos por segundo, ocurrida el 10 de junio de 2000 puso a prueba el equilibrio fluvial. Produjo erosiones del fondo de hasta dos metros en algún punto y de más de un metro en longitudes considerables, debido a que rebajó las pendientes del fondo. I.T. N. o

5 Figs. 8 y 9. Mapa del área central del bajo Llobregat, alrededor de Molins de Rei, en cartografía 1: de 1954 (izquierda) y actual (derecha). Fig. 10. Cauce del río Llobregat (en la zona del extremo superior de la Fig.6) con las obras de modificación del cauce central (1998). 48 I.T. N. O

6 Los conocimientos de morfología fluvial indican que probablemente el cauce principal del río Llobregat estaría modelado por un caudal dominante de unos 360 m 3 /s, con el cual una anchura de 60 metros y una profundidad de tres metros serían adecuadas. Más o menos así era el cauce principal del río antes de las obras de Pese a la historia de pérdida de espacio de la llanura de inundación, el cauce principal seguía teniendo una morfología apropiada, natural. La avenida del año 2000 hubiera hecho rebosar este cauce, circulando en buena parte por las planicies. En cambio, todo el caudal circuló por el cauce central, sin poder salirse. La capacidad de transporte sólido de este flujo contenido en el cauce era mucho mayor que la que hubiera tenido con el cauce natural y que la que tenía aguas arriba. Por ello, el flujo tomó material del fondo aluvial, es decir lo erosionó. Es curioso observar que el desequilibrio es irreversible porque la erosión no ha hecho sino profundizar más el cauce, es decir, conferirle aún más capacidad. También es curioso que un ensanchamiento (y ahondamiento) del cauce tenga un efecto erosivo, sin perjuicio de que un caudal semejante al de proyecto (4.000 m 3 /s) hiciera sentir el estrechamiento causado por las dos vías, que según los principios del ejemplo 4 produciría también una erosión general. Por efecto de la autovía, la velocidad con que circula este caudal ha pasado de 3 a 4,5 m/s. La plataforma del tren de alta velocidad, adosada a la autovía por el lado del río, aún aumentará más y en más zonas la velocidad. Los efectos que esto tenga no los veremos hasta que ocurra una gran avenida. Conclusión: implicación territorial y ambiental de la hidráulica fluvial Los ejemplos anteriores son un pequeño elenco de casos reales en el ámbito de Cataluña estudiados recientemente (para más documentación de cada uno, ver las referencias). En todos hemos destacado los fenómenos físicos importantes en la tríada formada por el agua, el material sólido y la vegetación. Los ríos son espacios de gran valor ambiental muy vulnerables, es decir, fáciles de degradar, no solo por pérdida de la calidad del agua (vertidos) o de la cantidad de agua (aprovechamientos) sino por una alteración en su delicado equilibrio morfológico. Los casos de incisión de los dos últimos ejemplos son paradigmáticos. La incisión implica la alteración de los niveles freáticos y de las valiosas comunidades vegetales que dependen de la proximidad al agua. Por tanto, el valor ambiental de un río consiste en la calidad y la cantidad de agua y, singularmente, en el mantenimiento de sus rasgos morfológicos. Esto obliga a pensar en algo más que en caudales, calados y parámetros químicos o biológicos de calidad. Obliga a pensar en las formas propias del río, de los espacios fluviales, es decir, a tratar generalmente con cauces anchos y someros y con llanuras extensas. Así entra en juego la dimensión territorial de la hidráulica fluvial. Una sociedad consciente de sus recursos ambientales debería conservar cada vez más sus espacios fluviales íntegramente y recuperar o restaurar los degradados en lo posible (pues hay desequilibrios irreversibles). Las infraestructuras que inevitablemente toquen estos espacios deben reunir la mayor inteligencia e ingenio que quepa para recrear el espacio natural. La administración hidráulica y la de vías de comunicación (carreteras y ferrocarriles) son los actores principales. Defendemos el concepto de encauzamiento ambientalmente aceptable. La palabra encauzamiento merece ser reivindicada, frente a eufemismos (acondicionamiento) que denuncian la mala conciencia de los ingenieros pero esconden a veces el mismo abuso de convertir los ríos en canales, hoy a cargo también de los arquitectos. La noción de cauce principal según el régimen hidrológico, de llanura de inundación y de diversidad física por medio de la sinuosidad y la naturalidad e irregularidad de los contornos son los conceptos más importantes. Los asuntos de acreción, torrencialidad, sinuosidad y flujo con vegetación o erosión general, tratados en los ejemplos, admiten hoy un tratamiento cada vez más especializado, que supera las limitaciones de hipótesis como lecho fijo, agua clara y movimiento unidimensional. Esta es la dimensión técnica de la hidráulica fluvial, que se une, en una segunda tríada, a la territorial y a la ambiental. Juan Pedro Martín Vide Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos UPC. Dep. d Enginyeria Hidràulica, M. i A. Referencias 1. Estudio de la dinámica fluvial de la Isla del Ter en Girona. UPC, para Inypsa y Agència Catalana de l Aigua, abril También Martín-Vide, J.P., Martín, M.P., Roca, M., Simarro, G., López Q., S., Mazza, G. Modificación del riesgo de inundación de Girona por el crecimiento de la isla del Ter, Boletín de la A.G.E., nº 37, 2004, pp Criterios de cálculo de las rieras de Las Arenas y Rubí, en condiciones torrenciales. UPC, para HQA-Inclam y la Agència idem, febrero Ver también Martín- Vide et al, Runoff and sediment transport in a torrential ephemeral stream of the Mediterranean coast, Jl of Hydrology, 225 (1999), Estudio de inundabilidad del río Garona y sus afluentes en el Vall d Aran. UPC, para Typsa y la Agència idem, julio Martín-Vide, J.P., Restoration of an urban river in Barcelona, Spain, Environmental Engineering and Policy, 2, 2000, pp. 030/1-030/7. También Martín Vide, J.P., Restauración del tramo urbano del río Besòs en Barcelona. Trazado del encauza miento y modelos físicos, V Jornadas de Encauzamientos Fluviales, CEDEX, Madrid También Estudio en modelo físico de la desembocadura del río Besòs (marzo 2004) y Estudio hidráulico en modelo reducido de las obras de recuperación medioambiental del tramo final del río Besòs (marzo 1999), ambos de la UPC para Barcelona Regional. 5. Estudio de la dinámica fluvial del río Tordera. UPC, para Sener y la Agència idem, septiembre También Martín-Vide, J.P., Batalla, R., Roca, M., Rovira, A., Andreatta, A. Incisión, erosión transitoria y formas de fondo en el tramo bajo del río Tordera, Ingeniería del Agua (en revisión). 6. Martín Vide, J.P., Ingeniería de Ríos, Edicions UPC, Barcelona 2002, 331 pp. También Ingeniería fluvial, Edicions UPC, Barcelona 1997, 209 pp. 7. Análisis de la estabilidad del tramo del río Llobregat encauzado por la autovía del Baix Llobregat. UPC, para HQA-Inclam y la Agència idem, mayo I.T. N. o