Migraciones del Curso y Forma en Planta observadas en Ríos Meandriformes de varias Regiones Argentinas Lucas Gerardo Dominguez Ruben 1, Hector Daniel Farias 1, Alfredo Fabian Reuter 2 (1) Instituto de Recursos Hídricos (IRHi, FCEyT) (2) Instituto de Silvicultura y Manejo de Bosques (INSIMA, FCF) Universidad Nacional de Santiago del Estero (UNSE), Argentina. E-mail: ldominguezruben@gmail.com - hdf@unse.edu.ar - freuter@unse.edu.ar RESUMEN: El presente trabajo analiza la morfometría de ríos aluviales mediante el uso de un modelo de evolución de meandros, presentando una herramienta predictiva que permite determinar la tendencia evolutiva de un curso fluvial, por medio de los sistemas de información geográfica. Esta herramienta será usada principalmente para facilitar la descripción cuantitativa de la forma y parámetros característicos de tramos fluviales los ríos Aranillas, Seco, Gastona, Lujan, Bermejo y Juramento, que presentan características de moderada a alta sinuosidad, aspecto que relaciona la longitud del eje del río y la longitud del valle. Además, se evalúan las relaciones teóricas y empíricas presentadas por diversos autores y las mediciones experimentales obtenidas a través del procesamiento de las imágenes satelitales de las áreas concretas de estudio, incluyendo análisis multitemporales. Cabe decir que los tópicos observados no difieren en gran medida a los de la media mundial.
INTRODUCCION Desde el punto de vista de la hidráulica fluvial, todos los ríos están sujetos en mayor o menor grado a procesos de erosión o degradación, equilibrio y sedimentación o agradación (Figura 1). Un río se considera en estado de equilibrio cuando no varía el perfil del fondo y de las márgenes del cauce y por lo tanto, existe compensación entre los sedimentos que son transportados hacia el sitio y desde el sitio. Una importante variedad de problemas de ingeniería hidráulica requieren de una descripción apropiada de estos procesos morfológicos (Rocha, 2009; Chang, 1988). Figura 1.- Migración de un meandro vista en planta. Desde la perspectiva ingenieril resulta interesante poder reunir elementos cuantitativos de análisis que permitan inferir estas tendencias de evolución morfológica a fin de poder planificar con cierta racionalidad actividades humanas en el ambiente fluvial, tanto sobre el cauce como sobre la planicie de inundación (Chang, 1988; Maza Alvarez, 1988; Melville & Coleman, 2000; Neill, 1973). El interés por desarrollar nuevas técnicas y herramientas para el estudio de la migración de los ríos, surge por la necesidad de prever situaciones donde se ponga en riesgo la vida humana. La gran diferencia con la antigüedad, es que actualmente se cuenta con un sinfín de herramientas que permiten llegar a lugares que antes se consideraban inaccesibles, por su localización y morfología. Un ejemplo de esto son los sistemas de información geográfica, que por medio de software de imágenes satelitales hacen posible la recolección, edición y análisis de datos de cualquier lugar del mundo y para todo tipo de investigación, e incluso demostrar que la información recolectada por este medio posee un alto grado de confiabilidad.
TECNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN La propuesta metodológica del presente trabajo se basa en una investigación de tipo Aplicativo, Demostrativo y Teórico, pues se buscará aplicar la teoría morfométrica de los ríos sinuosos que presentan las características sinuosas en la llanuras Argentinas. Teniendo en cuenta el análisis de las ecuaciones de la geometría estable de Ríos, para aplicarlos a los de estudio predictivos y obtener resultados concordantes. La técnica utilizada para conocer la evolución de los cauces fluviales fue un análisis diacrónico mediante el uso de imágenes satelitales georreferenciadas y ortoimágenes. Esencialmente en esta etapa podemos decir que corremos con la dependencia de la disponibilidad de imágenes satelitales con escenas asociadas a intervalos de tiempo en los que se pudieran apreciar cambios morfológicos inducidos por procesos de migración, de modo de poder delinear en una planimetría (en escala adecuada) la evolución del curso en ese intervalo de tiempo. Por su parte, se buscaron tramos de ríos en los que se disponga de datos hidrométricos (que permitan estimar los caudales circulantes en los momentos de las escenas que se analizaron) y, eventualmente, datos geotécnicos para poder tipificar tanto el material presente en las márgenes como en el lecho del río. En general, se trata de cauces con lechos arenosos (en los casos de los ríos Bermejo y Luján, el material se sitúa entre el rango de los limos y arenas finas), mientras que las márgenes están conformadas por materiales con ciertos grados de cohesión (en general, suelos estratificados, con presencia de capas clasificadas como CL-ML en el SUCS) (Farias, 2011). Los ríos seleccionados comprenden: los ríos Aranillas, Seco y Gastona, ubicados sobre la vertiente oriental del sistema serrano de los Nevados del Aconquija (territorio de la Provincia de Tucumán), pertenecientes a la cuenca Salí-Dulce; un tramo del Río Juramento, aguas abajo de la Presa El Tunal (provincia de Salta); un tramo del Río Bermejo (límite entre las provincias de Formosa y Chaco), comprendido entre las localidades de El Colorado y Lucio V. Mansilla; y, finalmente, un segmento del Río Luján, aguas arriba de la carretera Panamericana (Ruta Nacional N 9), en la Provincia de Buenos Aires (Figura 2).
Figura 2.- Ubicación de los ríos seleccionados. Las imágenes satelitales fueron descargadas de Internet, y éstas constituyen la principal materia prima para el desarrollo del presente estudio. Las imágenes fueron obtenidas desde GoogleEarth TM (Figura 3). La aplicación de Internet Google Earth TM es una fuente de información satelital que ofrece ventajas en cuanto a calidad de las imágenes, fácil disponibilidad y bajo costo (en realidad, en la mayor parte de los casos el costo es nulo). Figura 3.- Captura de pantalla aplicación Google Earth, con una ampliación de una de las áreas de estudio.
Una vez obtenidas las imágenes se las exportó al programa AutoCAD 2007 (Figura 4) organizando las escenas por capas y se procedió a la vectorización de las líneas de márgenes (bankfull), siguiendo los lineamientos fijados para la apreciación de tales características morfológicas (t 1 color rojo y t 2 color azul). Los tramos se segmentaron para poder identificar sectores con marcado diseño meandriforme, escalando cada uno de ellos. Para cada cauce se analizo dos instancias de tiempo (t 1 y t 2 ) que describen la migración, se determino la envolvente de la superficie de barrido a través de una entidad grafica tipo poli-línea. Figura 4.- Captura de pantalla AutoCAD 2007 del mismo tramo anterior. Determinadas las márgenes se pasó a la etapa de procesamiento mediante el uso de herramientas como ArcGis 9.3, que es una serie integrada de paquetes de software de Sistemas de Información Geográfica que trabaja como un investigador de información geográfica alfanumérica (Bases de Datos) y gráficas (Mapas). Sus herramientas entregan sistemas de información geográfica, donde se garantizará confiabilidad en los datos y resultados para verificar la aplicación a los Ríos estudiados. Una vez obtenidos los bankfull se aplico la herramienta Channel Planform Statistics Tools (Figura 5), la cual se encuentra formada por un conjunto de programas de Visual Basic escrito para ArcMap 9.1. Esta herramienta ha sido instalada en un archivo de mapa de ArcMap llamado planform_statistics_tools_v91.mxd. La herramienta puede realizar tres funciones principales. 1) Interpolar la línea central de dos líneas (es decir, dos márgenes que han sido digitalizadas por la mano de una fotografía aérea). El ancho y el radio local de curvatura en cada punto espaciados uniformemente a lo largo de la línea central se guardan en un archivo de texto. 2) Medir las distancias medias normales en el lateral e incluso incrementos de entre dos líneas de desarrollo con la herramienta 1 (es decir, entre líneas centrales del río en dos puntos en el tiempo), y 3) generar un archivo de forma poligonal de las cajas al lado de las márgenes del rio que se corresponden con un determinado línea central. Esta herramienta es útil si el usuario desea correlacionar una propiedad de márgenes con una de las estadísticas observadas.
Para el presente estudio se hizo uso de la primer función, la cual proveía la línea central del trazado de márgenes. Figura 5.- Captura de pantalla ArcGis 9.3. Y así con el trazo medio se hizo uso del programa RVR MEANDER versión 0.9.77 (Abad y García, 2005), el mismo se desarrolló como una caja de herramientas para la restauración de la modelación y los procesos de naturalización de los ríos. Este modelo es basado en Windows y los programas del Sistema de Información Geográfica basado en el análisis y modelado de forma en planta para el desplazamiento de los ríos. En el pasado, varios ríos han sido canalizados causando problemas ambientales y ecológicos. Las técnicas de restauración de evolución como solución natural para la canalización, es la predicción del desplazamiento de forma en planta en los ríos que es indispensable por razones económicas y sociales tales como el desarrollo de las zonas urbanas cercanas a los ríos, la prevención de daños a la infraestructura, la reducción de las pérdidas de tierras agrícolas, y para el mantenimiento de la diversidad biológica en los ríos. Abad y García presentaron un modelo conceptual y matemático de la evolución de los ríos sinuosos que pueden ser utilizados en procesos de restauración y naturalización. La descripción de RVR MEANDER se basa en las características de cálculo y la aplicación en lugar de presentar su base teórica. RVR MEANDER es un modelo orientado a objetos de fácil uso para fines de restauración. Este modelo ha sido probado con éxito en Microsoft Windows 2000 y XP y en ArcMap 9.1. Se está trabajando para ofrecer versiones para las versiones de ArcGIS 8.1, 8.2, y 8.3, así como un producto independiente. RVR MEANDER se ha desarrollado utilizando objetos orientados al estilo de programación (OOP). Existen dos versiones del modelo disponibles. El primero es una versión independiente basada en Windows y el segundo es por medio de Sistemas de Información Geográfica (SIG). La principal diferencia entre estas dos versiones es el ambiente de trabajo y el modo de ingreso de los datos de entrada al modelo (configuración del río). Los diferentes modelos están divididos en clases y se utilizan como interfaz principal DLL (Librería de enlace dinámico). Este tipo de programación permitirá a la estructura incorporar en el futuro otros
componentes en el modelo de RVR MEANDER (es decir, pre-procesamiento y rutinas de postprocesamiento). RVR MEANDER puede calcular componentes importantes del cambio de corriente como el cambio de normal media, promedio de desplazamiento transversal, desplazamiento medio longitudinal, cambio medio absoluto transversal, cambio longitudinal medio absoluto y la relación de cambio. Éstos se calculan sobre la base del análisis estadístico. Además, este módulo puede medir características del meandro como sinuosidad, el tiempo de tasa de cambio de la sinuosidad, la curvatura media y la tasa de la zona de la llanura aluvial adaptados. La Figura 6 muestra las variables de flujo para el cálculo sinuosidad (S) y la tasa de crecimiento del meandro (S ). S y S se calculan, S = L A / L v y S = (S 1 -S 2 )/(t 2 -t 1 ). Donde L A es la longitud de la corriente del canal y L V es la longitud del valle, para la tasa de crecimiento del meandro, S 1 y S 2 son sinuosidades en el tiempo t 1 y t 2, respectivamente, y C = dθ/ds, es la curvatura de la corriente (θ es el ángulo entre el eje del canal y una horizontal paralela a L v y s es la corriente a coordinar). Figura 6.- Esquema de Definición (Fuente Abad & Garcia 2005) La Figura 7 muestra el área recorrida por la corriente. El trabajo de la medición de la zona de llanura aluvial es el área donde se ha depositado o erosionado mucho material. En general, es una medida de la cantidad de suelo que rodea un arroyo que llegaría afectar el meandro (MacDonald, 1992). Se calcula mediante la integración el área conformada por el eje del cauce medido en dos momentos diferentes. Este parámetro da una idea de hasta qué punto las orillas de los ríos han emigrado debido a la erosión. Este promedio normal se puede descomponer en partes valle abajo y durante el cambio cruzado del valle, respectivamente.. Σn* senθ * s x = t* Σ s (1)
. Σn* senθ * s y = t* Σ s (2) Por otra parte, el promedio absoluto del desplazamiento valle abajo y el desplazamiento transversal del valle está dada por:. Σ n* senθ * s x = t* Σ s. Σ n* senθ * s y = t* Σ s (3) (4) Respectivamente. El cambio medio absoluto donde se cruzan los ejes son especialmente útil porque indica hasta qué punto la corriente se puede desplazar en ambos lados del eje. (MacDonald, 1991; MacDonald et al, 1992). Para ejecutar este módulo, sólo dos datos son necesarios: el primero es el tiempo transcurrido entre t 1 y t 2, el segundo es la longitud de onda aproximada de los meandros. Figura 7.- Regimen de Desplazamiento Figura 8.- Pantalla de dialogo Migration (Abad & Garcia 2005).
Esta ventana (Figura 8) proporciona variables para controlar la migración de un alcance seleccionado. Para una descripción de los parámetros de entrada, ver Abad y García (2005). Los valores ingresados fueron los siguientes (Tabla1): Tabla 1.- Valores ingresados en el cuadro de dialogo del Migration Abad y Garcia Rio Variable Velocidad de perturbacion incial (m/s) Curvatura inicial Coeficiente de inclinacion transversal Coeficiente de Erosion de Margenes Caudal Dominate (m3/s) Profundida d (m) Ancho (m) Tamaño de sediment o (m) Gastona 0 0 6-280-340 1.80 300 0.0006 Seco 0 0 6 0,00002 120 1.60 70 0.0006 Aranillas 0 0 10 0,00005 80 1.5 50 0.0005 Lujan 0 0 10 0,00002 40 2 20-25 0.0002 Juramento 0 0 10 0,00005 30-50 2 30 0.0003 Bermejo 0 0 10-600-800 3 240 0.0001 El valor de la velocidad de perturbación inicial y curvatura inicial no se pudo calcular debido a que la distribución de la velocidad y la curvatura en el extremo aguas arriba del alcance no eran conocidos. Un valor de 0 se supone que es una estimación razonable ya que la influencia de estos parámetros decae exponencialmente en la dirección aguas abajo. Los valores del coeficiente de inclinación transversal se toman de estudios previos tales como lkkawa et al. (1976), Zimmerman y Kennedy (1978), Engelund (1974), y Odgaard (1981) el cual varió de 3 a 10 aproximadamente. Siguiendo los argumentos de Johannesson y Parker (1985), un valor de 6,0 se supone que es apropiado. Sin embargo, otros valores se ensayaron y se encontró que las soluciones no eran muy sensibles al valor particular seleccionado. (Garcia, 1996). El valor del coeficiente de erosión de márgenes se le asigno E b cercano a 10-8 - 10-7 (Langendoen; 2010) para los primeros intentos, luego se lo calibro al mismo. En cuanto a la casilla de caudal se ingreso el valor de caudal dominante definiéndolo a tal como aquel caudal teórico que fluyendo en régimen permanente y uniforme, es capaz de producir el mismo efecto morfológico sobre el cauce (en términos del modelado de la sección transversal y patrón de alineamiento en planta) que la secuencia natural de flujos hidrológicamente variables a lo largo de la historia geomorfológica del río. Expresando matemáticamente este concepto, se obtiene: Q D = t2 t1 Q( t). Q ( t). dt t2 t1 S Q ( t). dt (5) donde Q indica el caudal líquido, Qs caudal sólido (carga total de material del lecho) y el lapso de tiempo (t 2 - t 1 ) debe ser lo suficientemente largo como para garantizar que durante el mismo hayan acontecido una
cantidad de eventos (en términos de transporte sólido) suficientemente representativos de la hidrología de la cuenca (Farias, 2005). El ancho colocado es el asociado al caudal dominante bankfull (Figura 9), nivel de inundación o umbral de desborde. Tamaño de sedimentos fue recomendado por el Ing. Hector Farias de investigaciones previos en las regiones (Farias; 2011). Figura 9.- Nivel de desborde bankfull. Una vez introducido todos los valores la casilla Editar Parámetros se activa. Cuando esta casilla está activada, entonces el "parámetros avanzados" se puede modificar. Esto no es recomendable. Los "parámetros avanzados" se calculan automáticamente basándose en la entrada del usuario y las variables de control son efectivas para el código de meandros. La "Edición de Parámetros Avanzados" es una opción que se ofrece como un control manual para los usuarios. La dirección del flujo se la puede modificar (aguas arriba/aguas abajo). La forma en que ArcGIS almacena la dirección del flujo depende del método de digitalización. La ventana de migración muestra temporalmente un cuadrado verde en lo que supone el extremo de aguas arriba, y un círculo verde en lo que supone el extremo aguas abajo. Por lo tanto, si los valores supuestos son diferentes de la dirección del flujo, simplemente seleccione la casilla círculo o un cuadrado de acuerdo con la dirección correcta. Cuando todos los parámetros han sido válidamente insertados, a continuación, el botón "Vista previa de Meandro" se encuentra disponible. Cuando este es presionado, el meandro se calcula. Esto puede tomar varios segundos hasta minutos o más dependiendo del tamaño y el número de iteraciones elegidas. En general, a más iteraciones mejores serán los resultados. Un buen número para empezar sería de 100 iteraciones. Cuando el meandro se ha calculado, una nueva característica se encuentra temporalmente añadido al mapa representando el alcance migrado. Si estos parámetros no son satisfactorios, se pueden cambiar y pulsar nuevamente el botón "Vista previa de meandro". Un meandro insatisfactorio sería uno que llamamos ruidoso. Cuando un meandro es satisfactorio se presiona el botón "Aplicar Meandro y Cerrar" para guardar en
realidad la función de la base de datos geográficos. Si ArcGIS se cierra sin que se halle pulsado esta tecla la función no se guardara. Además, si se pulsa "Cerrar y Cancelar Meandro" la función no se guardara. Rio Aranillas Rio Lujan
Rio Juramento Rio Seco
EVALUACION DE RESULTADOS Los desarrollos presentados, son relevantes para la caracterización de los ríos estudiados, y para el estudio de los procesos morfológicos que se desarrollan ante la presencia de estructuras transversales a la corriente, en ríos con meandros. En general los resultados obtenidos fueron buenos se observo que el valor del coeficiente de erosión de márgenes variaba de 1 x10-5 - 5 x10-5, esto nos da un punto de partida para que en investigaciones futuras sigamos incorporando material. Es importante decir que se encuentra en análisis la información de la geotecnia de las regiones analizadas, ya que este coeficiente depende de la vegetación de márgenes, tipo de suelo, entre otros factores. Se puede decir que los ríos a los cuales el programa no arrojo datos (Gastona y Bermejo) fueron aquellos de anchos superiores a 100m. En los ríos Lujan, Juramento y Aranillas el programa respondió correctamente, estos no se encuentran en la misma región geográfica lo cual nos da un espectro de los valores encontrados. En cuanto al Seco se obtuvo una imagen no muy satisfactoria. Se observo además que los anchos de estos ríos son bajos y presentan valores de caudales no muy elevados. Cabe aclarar que las curvas predichas se encuentran entre la de los dos periodos lo cual es un dato relevante que nos permite conocer los puntos en los cuales colocaremos protecciones en el caso que fueran necesarias. En esta etapa nos encontramos calibrando el valor del coeficiente de erosión de márgenes, esperamos avanzar en resultados y encontrar valores que lo representen de la mejor manera. CONCLUSIONES La investigación presentada en este trabajo se ha realizado para demostrar que los modelos de flujo se pueden utilizar como herramientas para analizar las características y comportamiento de los meandros. El desarrollo de un modelo de migración de un rio, junto con los cálculos que se muestran correspondientes a la aplicación del modelo a la migración de una curva senoidal generada muestra cierta concordancia con la curva t 2. La inestabilidad numérica de las soluciones de los modelos se encuentra en algunos casos, esta podría ser controlada mediante el ajuste de la discretización temporal utilizado en el cálculo. Sin embargo, un análisis más detallado es necesario para optimizar la selección de los parámetros del modelo para asegurar la estabilidad numérica. El modelo ha demostrado la capacidad de simular la migración aguas abajo de las curvas de meandros, sin embargo, tuvo dificultades para predecir el crecimiento de plegado hacia el exterior. Este crecimiento de la curva puede ser debido a la variabilidad de las propiedades que rigen la erosión a lo largo de las orillas de los ríos.
El modelo de migración utiliza un valor constante del coeficiente de erosión que no puede dar cuenta de estas variabilidades. Más investigaciones serán necesarias para mejorar el modelo de erosión de márgenes. La aplicación de modelos a escala y el estudio de campo nos brindaran mayores conocimientos sobre la mecánica de la erosión. Todo esto junto al uso de herramientas computacionales nos permitirán predecir condiciones futuras y establecer valores ideales del coeficiente de erosión de márgenes para las distintas regiones Argentinas. REFERENCIAS Abad, J. & Garcia, M. (2005). RVR Meander: A toolbox for re-meandering of channelized streams. Computers & Geosciences 32 (2005) 92 101. USA. Chang, H. H. (1988). Fluvial Processes in River Engineering. J. Wiley and Sons, New York, USA. Farias, H.D. (2005). "Análisis del concepto de caudal dominante en ríos aluviales y evaluación de metodologías de cálculo. 2 Simposio Regional sobre Hidráulica de Ríos, Neuquén, Argentina. Farias, H. D., Dominguez, L.G., Reuter, F. (2011). Migraciones del Curso y Forma en Planta observadas en Ríos Meandriformes de varias Regiones Argentinas. Memorias del Quinto Simposio Regional sobre Hidráulica de Ríos Santiago del Estero, Argentina. 2-4 Noviembre de 2011. Garcia, M., Bittner, L. & Niño, Y. (1996). Mathematical modeling of meandering streams in illinois: a tool for stream management and engineering. Illinois Water Resources Center. USA. Johannesson, H. & Parker, G. (1985). Computed simulated migration of meandering rivers in Minnesota. Project Report No. 242. Minneapolis, Minnesota. Langendoen, E.J., Motta. D., García, M. & Abad, J. (2011). An improved meander migration formulation based on streambank erosion processes. River Flow 2010 - Dittrich, Koll, Aberle & Geisenhainer. MacDonald, T.E. (1991). Inventory and analysis of stream meander problems in Minnesota. Master s Thesis, Department of Civil Engineering, University of Minnesota, Minneapolis, Minnesota, USA, 152pp. MacDonald, T.E., Parker, G., Leuthe, D. (1992). Inventory and analysis of stream meander problems in minnesota. Technical Report, Department of Civil Engineering, University of Minnesota, Minneapolis, Minnesota, USA, 38pp. Maza Alvarez, J.A. (1988). Introduction to River Engineering. Universitá Italiana per Stranieri, Perugia, Italia. Melville, B. W. & Coleman, S. E. (2000). Bridge Scour. Water Resources Publications, Littleton, Colorado, USA. Neill, C. R. (1973) (Ed.). Guide to Bridge Hydraulics. Roads and Transportation Assoc. of Canada, University of Toronto Press, Toronto, Canada, 191 pp. Rocha Felices, A. (2009). "La Morfología Fluvial y su Incidencia en la Estabilidad de las Obras Viales". VII Congreso Internacional de Obras de Infraestructura Vial. Academia Peruana de Ingeniería, Lima, Perú.