Ecohidráulica

La ecohidráulica es una ciencia interdisciplinaria que estudia los factores hidrodinámicos que afectan la supervivencia y reproducción de los organismos acuáticos y las actividades de los organismos acuáticos que afectan la hidráulica y la calidad del agua . Las consideraciones incluyen el mantenimiento o desarrollo del hábitat, las interacciones entre el hábitat y el flujo y las respuestas de los organismos. La ecohidráulica evalúa la magnitud y el momento de los flujos necesarios para mantener un ecosistema fluvial y proporciona herramientas para caracterizar la relación entre la descarga del flujo, el campo de flujo y la disponibilidad de hábitat dentro de un ecosistema fluvial. Con base en esta relación y en conocimientos sobre las condiciones hidráulicas óptimas para diferentes especies o comunidades, el modelado ecohidráulico predice cómo las condiciones hidráulicas en un río cambian, en diferentes escenarios de desarrollo, el hábitat acuático de las especies o las comunidades ecológicas. Consideraciones similares también se aplican a los ecosistemas costeros, lacustres y marinos .

En el siglo pasado, los ingenieros hidráulicos se han enfrentado al reto de la modelización del hábitat, complicada por la falta de conocimientos sobre ecohidráulica. Desde la década de 1990, especialmente después del primer Simposio Internacional sobre Ecohidráulica en 1994, la ecohidráulica se ha desarrollado rápidamente, principalmente para evaluar los impactos de los cambios inducidos por el hombre en el flujo de agua y las condiciones de los sedimentos en los ecosistemas fluviales... ^[1]

La ecohidráulica analiza, modela y busca mitigar los impactos adversos de los cambios en las características hidráulicas causados ​​por la construcción de presas y otras actividades humanas, sobre la idoneidad del hábitat para organismos, como peces e invertebrados , y predecir cambios en las comunidades biológicas y la biodiversidad. ^[2] Muchos artículos informan los resultados de investigaciones sobre la ecohidráulica fluvial. ^[3] Por ejemplo, la Asociación Internacional de Ingeniería e Investigación Hidroambiental (IAHR) y Taylor & Francis han estado publicando el Journal of Ecohydraulics desde 2016. La revista abarca todos los temas de la ecohidráulica natural y aplicada en todos los entornos ambientales. ^[4]

Un ecosistema acuático se define como una comunidad de organismos acuáticos, en la que las especies dependen unas de otras y de su entorno físico-químico y están vinculadas a través de flujos de energía y materiales. ^[5] Los patrones de distribución de las especies se ven afectados por las características espaciales y temporales del flujo de agua.

La velocidad del flujo afecta la entrega de alimentos y nutrientes a los organismos. También puede desalojar a los organismos e impedir que permanezcan en un sitio. Algunos vertebrados e invertebrados, como el marisco Corbicula fluminea , filtran su alimento a través del agua que fluye. La velocidad del flujo y la turbulencia son fundamentales para las actividades vitales de muchas especies. Por ejemplo, algunos peces migran y otros desovan cuando detectan corrientes altas. Sin embargo, una velocidad de flujo extremadamente alta, o altas intensidades de turbulencia, creadas por la infraestructura de ingeniería hidráulica, pueden ejercer presión sobre la mayoría de los peces e invertebrados e incluso matarlos. Cuando la velocidad del flujo es inferior a 0,1 m/s, la comunidad biológica de un río es similar a la de un lago. Por lo general, en los ríos, la velocidad del flujo entre 0,1 y 1 m/s es la más adecuada para las especies de peces de los principales arroyos.

La alta velocidad del flujo y la turbulencia son señales que indican el momento de la migración y el desove de algunos peces. Las carpas asiáticas ponen huevos flotantes cuando detectan un aumento de la descarga resultante de una crecida primaveral. La velocidad de sedimentación de los huevos varía en el rango de 0,7 a 1,5 cm/s. Una vez que un huevo de carpa se deposita en el lecho del río, no puede eclosionar. Solo si la velocidad del flujo supera la velocidad de sedimentación, un huevo puede permanecer en suspensión y completar la incubación en un plazo de 24 a 40 horas. ^[6]

Los mejillones dorados ( Limnoperna fortune ) son una especie invasora de macroinvertebrados que se alimentan por filtración. La densa adhesión de la especie a los límites de los túneles y tuberías de transferencia de agua da como resultado bioincrustaciones , causando una alta resistencia al flujo de agua y daños a las paredes de las tuberías. Esta consecuencia, junto con la descomposición de los mejillones muertos, perjudica la calidad del agua. ^[7] Las larvas de mejillón dorado pueden morir por turbulencia de alta frecuencia y aumento de la velocidad del flujo. Los experimentos muestran que las larvas pueden morir en un campo de flujo con velocidades superiores a 0,08-0,15 m/s y una frecuencia de turbulencia superior a 30 Hz. Los resultados preliminares han demostrado que cuanto mayor sea la intensidad de la turbulencia, mayor será la mortalidad de las larvas de mejillón dorado. ^[8] Por otro lado, la baja mezcla vertical o turbulencia es un factor clave que favorece el desarrollo de floraciones de algas nocivas. ^{[9] [10]}

Los embalses se operan de acuerdo con los requisitos de generación de energía, suministro de agua, navegación y, en las últimas décadas, caudales ambientales. Por tanto, el momento y la magnitud del caudal máximo de las inundaciones pueden cambiar, lo que afecta al ciclo de vida y al hábitat de las biocomunidades acuáticas. La mayoría de las especies faunísticas de un río no pueden adaptarse al cambio no natural del caudal y desaparecen del tramo aguas abajo de la presa. En muchos países se han producido varamientos de peces causados ​​por el funcionamiento de los embalses aguas abajo de las centrales hidroeléctricas. ^[11] Una presa hidroeléctrica, como la presa Fengshuba en el río Este, China, libera agua de repente durante el día y se cierra por la noche para satisfacer una demanda de energía inestable. La fluctuación instantánea del caudal y la velocidad del caudal mata a la mayoría de las especies, excepto aquellas (por ejemplo, el pequeño camarón, Palaemonidae ) que pueden esconderse en grietas en los sedimentos del lecho del río.

La profundidad del agua es crucial para la fauna de gran tamaño. Los hábitats creados por los rápidos poco profundos de los pequeños ríos en las zonas montañosas suelen ser adecuados para los invertebrados y los vertebrados pequeños. Solo los arroyos de montaña con muchas pozas profundas pueden albergar criaturas de tamaño mediano, como la trucha arcoíris. El delfín bandera blanca, el esturión chino y la marsopa sin aleta requieren las profundidades del agua asociadas con los tramos medio e inferior del río Yangtsé, donde hay suficiente profundidad para que crezcan y se escondan. Por otro lado, pocos animales pueden vivir en las capas inferiores de lagos y embalses profundos, debido a la baja concentración de oxígeno disuelto (OD).

La temperatura es un factor importante para muchas especies. El salmón solo puede sobrevivir en ríos de agua fría. Los ríos Mississippi y Yangtze no son adecuados para el salmón debido a las altas temperaturas. Sin embargo, los insectos acuáticos crecen y se desarrollan más rápidamente en ríos tropicales y subtropicales que en ríos templados. Algunas especies pueden completar dos o más generaciones por año en sitios más cálidos, pero solo una o menos en sitios más fríos. ^[12] Algunas especies de libélulas en la meseta tibetana viven más de diez años en agua fría antes de alcanzar la madurez sexual y la eclosión.

La variabilidad de las características hidráulicas es esencial para la biodiversidad. Se necesita una amplia variedad de velocidades de flujo, profundidades de agua y temperaturas, tanto espaciales como temporales, para mantener altos niveles de biodiversidad en los ecosistemas acuáticos.

La eutrofización se refiere al enriquecimiento de un cuerpo de agua con nutrientes hasta un nivel que resulta en floraciones de algas, deterioro de la calidad del agua y alteración indeseable del equilibrio de un ecosistema acuático. La eutrofización y las floraciones de algas ocurren en ríos, lagos, estuarios, aguas costeras y marinas. Las floraciones de algas en lagos y aguas costeras pueden provocar la muerte masiva de peces. La aparición y el riesgo de floraciones de algas están estrechamente relacionados con el flujo hidráulico y los procesos de mezcla turbulenta vertical. Esta relación ha sido demostrada por un sistema de pronóstico y alerta en tiempo real establecido para monitorear la dinámica de las algas y el oxígeno disuelto. El monitoreo muestra que las fluctuaciones diurnas del oxígeno disuelto reflejan la biomasa de las algas. ^[13] Las algas de alta densidad pueden aumentar la viscosidad del fluido en más del 100%. El monitoreo en tiempo real y los sistemas de alerta temprana pueden ayudar con la gestión adaptativa para mitigar los efectos nocivos de las floraciones masivas de algas. ^{[14] [15]}

La vegetación emergente (por ejemplo, juncos y cañas) en las llanuras aluviales y los humedales ribereños impone una resistencia significativa al flujo de desbordamiento. La resistencia de la vegetación emergente es tan grande que el coeficiente de resistencia en las ecuaciones de hidráulica requiere un ajuste. Por ejemplo, la n de Manning aumenta diez veces a medida que la profundidad del flujo aumenta de 0,03 a 0,5 m, principalmente debido a la vegetación emergente. ^[16] La vegetación emergente y sumergida cambia la estructura de la turbulencia y el transporte de sedimentos, ^{[17] [18]} y puede hacer que estas cantidades varíen con la velocidad del flujo sobre una llanura aluvial.

Los animales acuáticos pueden cambiar el flujo y el transporte de sedimentos. El inicio del movimiento de sedimentos y el transporte se ven afectados por el desove de los salmónidos. La agrupación de grava del lecho es importante para la supervivencia del embrión de la especie. Los peces que desovan mueven los guijarros del lecho del río y entierran sus huevos debajo; la profundidad del enterramiento de los huevos tiende a ser un poco más profunda que la profundidad de erosión observada. La especie ha adaptado su estrategia de colocación de huevos al proceso de erosión por inundaciones. ^[19] Los castores pueden construir presas de madera a lo largo de pequeños arroyos y las presas de castor alteran el proceso hidrológico y las características hidráulicas de un arroyo. La invasión de mejillones cebra y mejillones dorados en tuberías, como la tubería de agua de refrigeración de una planta hidroeléctrica, puede bloquear las tuberías y obstaculizar la generación de energía.

El hábitat es un área donde las plantas o los animales normalmente viven, crecen, se alimentan, se reproducen y existen de otro modo durante cualquier parte de su ciclo de vida. Debido a que cada especie responde de manera diferente a las condiciones ambientales y bióticas, el término hábitat es específico de una especie y, en términos más generales, específico de gremios de especies; por ejemplo, "hábitat de peces" es específico de los peces. Los atributos hidráulicos se consideran las características más importantes del hábitat para casi todos los organismos en los ríos. La diversidad biológica y la abundancia de especies en los arroyos dependen de la diversidad del hábitat disponible. La pendiente, la forma del plano, el confinamiento y la forma y las dimensiones de la sección transversal de un arroyo, y la distribución del tamaño de grano del sedimento del lecho afectan el hábitat acuático. En situaciones menos perturbadas, una sección transversal estrecha y de paredes empinadas proporciona menos área física para el hábitat que una sección transversal ancha. Un arroyo empinado y confinado es un entorno de alta energía que puede limitar la aparición, la diversidad y la estabilidad del hábitat.

El sustrato es un término general que se refiere a todo el material que constituye el lecho de un río o un arroyo, que en la mayoría de los casos está compuesto principalmente de sedimentos. La erosión del lecho y de las orillas, el transporte de sedimentos y la deposición se encuentran entre los factores más importantes que afectan el hábitat acuático. Los arroyos estables son arroyos con un lecho de canal estable, que normalmente presenta estructuras de disipación de energía y poco movimiento de carga del lecho (transporte de partículas desde un lecho). Tales arroyos tienen el mejor hábitat para peces e invertebrados bentónicos. Los arroyos incisos son arroyos que experimentan erosión del lecho del canal, que proporcionan el segundo mejor hábitat. Los arroyos con un intenso movimiento de carga del lecho y sedimentación proporcionan un mal hábitat para los organismos. La riqueza de taxones o biodiversidad de estos diferentes tipos de ríos varía enormemente debido a las diferentes magnitudes de erosión, sedimentación y transporte de sedimentos. Un lecho de arena uniforme en un arroyo proporciona menos diversidad de hábitat potencial que un lecho con un sistema de pozas escalonadas, cascadas de rocas, rápidos, secuencias de pozas y rápidos u otros tipos de "estructuras de lecho" debido a los lugares de descanso que proporcionan tales características. ^[20]

La zona hiporreica es una capa de sustrato en el lecho del río en la que los animales bentónicos normalmente viven o existen durante cualquier parte de su ciclo de vida. ^[21] Los animales en la zona hiporreica generalmente están protegidos de los deslaves severos y las temperaturas extremas. Otras especies prefieren la superficie del lecho del río por su mayor concentración de oxígeno disuelto, el contacto directo con el agua que fluye y la alta disponibilidad de alimentos. Los macroinvertebrados habitan una capa de lecho de sedimentos con un espesor de aproximadamente 40 a 55 cm en lechos de grava, 60 cm en lechos de cantos rodados, 10 a 30 cm en lechos de arena gruesa y 5 a 10 cm en lechos de arena fina. El espesor de la zona en lechos de arcilla y limo es de aproximadamente 30 cm porque el lecho es relativamente blando; algunos macroinvertebrados pueden moverse dentro de la capa de lodo fluido. ^[22]

Los caudales ambientales se definen como la cantidad, el momento y la calidad de los flujos de agua dulce y los niveles necesarios para sostener los ecosistemas acuáticos que, a su vez, sustentan las culturas, las economías, los medios de vida sostenibles y el bienestar humanos. ^[23] El régimen de caudal natural desempeña un papel fundamental en el mantenimiento de la biodiversidad nativa y la integridad del ecosistema en los ríos. Los conceptos y la terminología varían entre países, como caudal mínimo, régimen de caudal ambiental, agua ambiental, caudales ecológicos. En la década de 2010, las evaluaciones de los caudales ambientales a escala de cuenca han evolucionado enormemente con la aplicación de métodos basados ​​en el hábitat o métodos holísticos, para equilibrar los caudales ambientales y los usos del agua, por ejemplo, la agricultura y la energía hidroeléctrica, en la planificación del agua a escala de cuenca hidrográfica o fluvial. ^{[24] [25] [26]} Además, algunas metodologías de planificación del agua evalúan el rendimiento en los sistemas fluviales, incluidas las pruebas de estrés, que consideran la incertidumbre asociada con el clima y el cambio global, y evalúan la viabilidad de equilibrar los caudales ambientales y otros usos del agua. ^{[27] [28]} Por ejemplo, se estaban considerando varios esquemas de irrigación para el desarrollo de la cuenca del río Kilombero, en Tanzania. Se determinó qué cantidad de agua podría extraerse del río sin degradar la condición ecológica. ^[29]

Una alta diversidad de hábitats sustenta una alta biodiversidad. O, dicho de otro modo, la biodiversidad depende de la diversidad de hábitats, que se define como la diversidad de tipos de hábitats adecuados para diferentes biocomunidades. Las condiciones físicas de los hábitats fluviales dependen principalmente de los siguientes factores: 1) sustrato; 2) profundidad del agua; y 3) velocidad del flujo. ^[30] Diferentes condiciones físicas sustentan diferentes biocomunidades, por lo que condiciones físicas diversificadas pueden sustentar biocomunidades diversificadas. Los hábitats con una velocidad de flujo inferior a 0,3 m/s son adecuados para especies que nadan lentamente. Los hábitats con una velocidad de flujo superior a 1 m/s son adecuados para especies que prefieren velocidades de flujo altas. La diversidad y riqueza de especies de peces están fuertemente relacionadas con la combinación de los efectos del sustrato, la velocidad y la profundidad, que se pueden representar mediante el Índice de Diversidad de Hábitat. Las investigaciones de campo han demostrado que un arroyo con diferentes sustratos es adecuado para una gran variedad de especies de invertebrados y tiene una alta biodiversidad. La riqueza de especies, o número de especies, S, es proporcional al índice de diversidad de hábitat. ^[31]

La interrupción de las conexiones entre hábitats perjudica la ecología. Las conexiones entre hábitats son esenciales para las biocomunidades complejas y la alta biodiversidad. La interrupción de las conexiones mediante presas o esclusas artificiales reduce la biodiversidad y socava las biocomunidades. Algunos proyectos tienen como objetivo restablecer las conexiones entre hábitats.

El río Yangtze conectaba en su curso medio e inferior miles de lagos ribereños, formando así un complejo sistema de hábitat. El agua fluía del río a los lagos durante la fase de crecida de las inundaciones y viceversa durante la fase de recesión de las inundaciones. El río tenía una gran biodiversidad y albergaba 400 especies de peces, 3 especies de ballenas y numerosas especies de anfibios, reptiles, aves e invertebrados. La conexión entre los cursos superiores y los cursos medio e inferior, y las conexiones entre el río y los lagos ribereños se han cortado para reducir el costo de la construcción de diques y promover la piscicultura, lo que ha dado lugar a la fragmentación de los complejos hábitats. Las investigaciones han demostrado que el corte de las conexiones ha reducido el número de especies de macroinvertebrados en un 60% y el de especies de peces en un 40-50% en los lagos. En el lago Poyang, que sigue conectado al río Yangtze, hay 101 especies de peces, pero en el lago Honghu y el lago Zhangdu, respectivamente, que han quedado aislados del río, sólo hay 57 y 47 especies de peces. Los experimentos han demostrado que se produce una reducción sustancial del número de especies y de la abundancia de macroinvertebrados en los cuatro meses siguientes a que un humedal ribereño quede aislado del río. ^[32]

La resiliencia se refiere a la estabilidad de un ecosistema y a su capacidad de tolerar perturbaciones y recuperarse. La resiliencia de un ecosistema implica tanto el proceso como el resultado de una adaptación exitosa a las tensiones ecológicas y la capacidad de mantener sus patrones normales de producción de biomasa después de haber sido sometido a daños. Si una perturbación fuera de suficiente magnitud o duración, se podría alcanzar un umbral en el que el ecosistema experimentara un cambio de régimen, posiblemente permanente. Los proyectos ecológicos, en cierto sentido, están diseñados para mejorar la resiliencia de los ecosistemas, reducir el tiempo necesario para que el ecosistema vuelva a un equilibrio y aumentar la capacidad del ecosistema para absorber perturbaciones y reorganizarse. Un nuevo paradigma en la gestión de ríos y zonas costeras está evolucionando hacia la mejora ecológica, la recreación y la estética, así como el cumplimiento de una estricta legislación de protección ambiental. Estos proyectos complejos requieren una gran cantidad de datos y herramientas de simulación para ayudar a los responsables de la toma de decisiones y a las comunidades a seleccionar estrategias de gestión que ofrezcan los máximos beneficios, preservando y mejorando al mismo tiempo la integridad ecológica del sistema fluvial. ^[33]

A menudo se necesitan modelos , especialmente modelos numéricos. Un enfoque común para los estudios de hábitat es aplicar modelos hidráulicos numéricos con los modelos incluidos en PHABSIM. ^[34] Este enfoque se basa en una caracterización hidráulica unidimensional de un tramo limitado de río en condiciones de flujo constante. El modelo se probó para evaluar su capacidad para evaluar el hábitat adecuado para el desove del salmón del Pacífico y del Atlántico y los resultados mostraron que el modelo funciona bien para esta etapa de la vida, ya que el desove involucra a peces adultos y está estrechamente relacionado con la hidrogeomorfología. ^{[35] [36]}

La vegetación afecta la intensidad y la estructura de la turbulencia. El modelado del proceso dinámico de sucesión vegetativa describe la relación entre las características hidráulicas de las perturbaciones de las inundaciones y los procesos de colonización y sucesión de la vegetación en las barras de sedimentos y las llanuras de inundación. El modelo está compuesto por módulos para plantas hidráulicas, leñosas y herbáceas, y nutrientes del suelo. El módulo hidráulico del modelo simula los procesos de inundación, descarga y sedimentación. El momento y la ubicación del reclutamiento de plantas utilizan las características de una inundación. La mortalidad de las plantas en cada ubicación durante una inundación se estima a partir de las tasas de erosión superficial obtenidas a partir de un modelo hidrodinámico. ^[37]

Es necesario investigar la brecha que existe entre la tecnología de modelado existente y los requisitos de modelado de todo el ecosistema acuático en una amplia gama de escalas espaciales y temporales. Los modelos de hábitat físico son particularmente útiles para evaluar el impacto de los proyectos hidroeléctricos, analizar los efectos de la extracción de agua en la ecología fluvial y determinar los requisitos mínimos de caudal de las poblaciones acuáticas.

Como se mencionó anteriormente, las variables hidráulicas afectan profundamente la utilización del hábitat por parte de la biota. Las curvas de idoneidad del hábitat fluvial se han desarrollado durante cuarenta años. ^[38] Además, los modelos de idoneidad del hábitat se aplican para evaluar la capacidad de un hábitat para sustentar una especie en particular. ^{[39] [40]} El comportamiento de los peces se ha analizado en el diseño de microhábitats en un modelo de microhábitat bidimensional (2D) de resolución de metros. ^[41]

Los índices de idoneidad son el núcleo del modelado del hábitat, que puede ilustrarse para el esturión chino. El ciclo de vida del esturión chino en el río Yangtze comprende principalmente el desove, la eclosión y la maduración. Los peces reproductores buscan sitios adecuados para el desove y adhieren los huevos fertilizados a las piedras, que eclosionan después de aproximadamente 120 a 150 h. Los esturiones juveniles nadan hasta el Mar de China Oriental y permanecen allí hasta que alcanzan la madurez. Diez ecofactores acuáticos influyen en la idoneidad del hábitat del esturión chino: 1) temperaturas del agua para adultos y juveniles (V ₁ , °C); 2) profundidad del agua para adultos (V ₂ , m); 3) sustrato para adultos (V ₃ ); 4) temperatura del agua para el desove (V ₄ , °C); 5) profundidad del agua para el desove (V ₅ , m); 6) sustrato para el desove y la eclosión (V ₆ ); 7) temperatura del agua durante la eclosión (V ₇ , °C); 8) velocidad del flujo durante el desove (V ₈ , m/s); 9) concentración de sedimentos suspendidos durante el desove (V ₉ , mg/L); y 10) la relación estimada entre peces reproductores de esturión y peces depredadores de huevos (V ₁₀ ). La relación, V ₁₀ , es importante porque el 90% de los huevos sufren depredación. El índice de idoneidad del hábitat (HSI) se da en ^[42] como

${\displaystyle HSI=\min\{\min {\bigl (}V_{1},V_{2},V_{3}),\min(V_{4},V_{5},V_{6}) ,V_{1}0\min(V_{6},V_{7},V_{8},V_{9})\}}$

La figura 1 muestra las curvas de idoneidad para los diez ecofactores. Utilizando estas curvas, se calculó el índice de idoneidad del hábitat (HSI), en el que se estimaron la velocidad, la profundidad, la temperatura y el sustrato utilizando un modelo bidimensional de hidráulica y movimiento de sedimentos. El HSI de idoneidad del hábitat varía de 0 (inadecuado) a 1 (óptimo). ^[42] Yi et al. indicaron que el espacio y el tiempo adecuados para el desove se redujeron después de la finalización de la presa de las Tres Gargantas en 2003. El modelo demostró que la operación del embalse revisada para imitar el régimen de flujo natural mejoraría la idoneidad del hábitat.

La construcción de presas ha creado obstáculos insalvables para los peces migratorios. Al menos 1/5 de las 9000 especies de peces de agua dulce del mundo han desaparecido debido a las presas. Esta proporción es aún mayor en los ríos con más presas: 2/5 en los Estados Unidos y 3/4 en Alemania. ^[43] Se han construido más de 130 presas en el río Columbia y sus afluentes, bloqueando el desove del salmón río arriba, lo que ha provocado una pérdida pesquera de 6.500 millones de dólares entre 1960 y 1980. ^[44]

Una escala para peces está diseñada para ayudar a los peces migratorios y a los peces reproductores a cruzar una presa hacia la zona de desove aguas arriba, y un paso para peces ayuda a los peces juveniles a cruzar la presa hacia la zona de desove aguas abajo y el mar. Las escalas y los pasos para peces se pueden diseñar por separado o se pueden combinar en un solo canal. El concepto principal del diseño de la escala para peces es crear una resistencia extremadamente alta, permitiendo que el agua de aguas arriba a aguas abajo de la presa fluya a baja velocidad mientras mantiene una gran profundidad. El diseño de la entrada y la salida de la escala para peces es fundamental. Si la velocidad de salida aguas abajo es demasiado alta, los peces no pueden nadar hacia la escala para peces. Si la velocidad del flujo de salida es demasiado baja, los peces no pueden determinar si conduce a la zona de desove aguas arriba. También es importante la turbulencia a lo largo de una escala o un paso.

La primera escala para peces fue construida por Denil en 1909. ^[45] La escala consiste en una serie de deflectores colocados en las paredes y el suelo de un canal, todos los cuales permiten que los peces reproductores que se desplazan río arriba, específicamente el salmón del Atlántico, eviten los diques y las pequeñas represas. En general, una escala para peces maximiza la disipación de energía y reduce la velocidad del flujo; la forma y la posición de los deflectores crean una circulación secundaria hacia afuera del flujo, lo que produce una transferencia de momento desde la parte central del canal hacia las paredes.

Se han realizado investigaciones sobre la escala para peces de Denil, centrándose principalmente en el refinamiento de los deflectores. Además, la investigación se concentra en comprender la respuesta de los organismos a la hidrodinámica (velocidad de flujo y turbulencia) en entornos experimentales. ^[46] Se ha prestado atención a la intensidad de la turbulencia, el tamaño de los remolinos y la resistencia hidrodinámica en las escalas para peces. ^[47] Por otro lado, los biólogos de peces han trabajado en estrecha colaboración con los ingenieros hidráulicos para comprender cómo responden los peces a la dinámica de fluidos compleja. ^[48] Los humanos han creado una variedad de escalas para peces, como el tipo de chorro sumergido a partir de un espacio vertical, que es adecuado para peces grandes; el tipo de piscina escalonada y el tipo de ventana sumergida, que es adecuado para peces medianos; y el tipo de vertedero de desbordamiento, que es adecuado para peces pequeños (Figura 2).

En 2004 se construyó una escala para peces para que los peces reproductores pudieran sortear la represa de Itaipú en el río Paraná y para que los peces juveniles pudieran pasar río abajo. La velocidad máxima de flujo fue inferior a 3 m/s. En la etapa inicial, el caudal utilizado para atrapar peces fue de 20 m ³ /s, y cuando los peces nadaban hacia el canal de paso, el caudal descendió a 11,4 m ³ /s. ^[49]

Los pasos para peces más exitosos del mundo son las escalas y los pasos para peces que pasan por alto las ocho represas del río Columbia. El gobierno de los EE. UU. establece que las represas del río Columbia deben construirse con una escala para peces. La represa Bonneville es la represa más aguas abajo del río, con una altura de 60 m. La escala para peces fue diseñada como una serie de "cabañas" que utilizan difusión por chorro vertical y disipación de energía. Desde la década de 1930, un promedio anual de 721.000 peces reproductores han cruzado la represa y han ingresado a una zona de desove aguas arriba. ^[50]

Operación del embalse: Desde 2010, el embalse de las Tres Gargantas se ha puesto en funcionamiento para promover el desove de la carpa asiática. En junio de 2011, el caudal del embalse aumentó en 2.000 m3 ^/ s cada día, y la velocidad del flujo y la intensidad de la turbulencia aumentaron continuamente durante 5 días. Al estimular el flujo de inundación, los peces reproductores se reunieron río abajo y desovaron. En 2022, el embalse aumentó el caudal de 12.800 m3 ^/ s el 3 de junio a 22.400 m3 ^/ s el 8 de junio. El número de huevos a la deriva desovados por las carpas en la sección Yichang-Yidu aumentó en más de 400 millones.

Pozas artificiales : En las últimas décadas, se han aplicado pozas artificiales en ríos de montaña para aumentar la diversidad del hábitat, ^[51] y, por lo tanto, mejorar la ecología fluvial en Alemania, Italia, Estados Unidos, Canadá, Suiza, Austria y otros países. Un experimento realizado en el río Diaoga en Yunnan, China, demostró que las pozas artificiales pueden crear un hábitat estable y diverso con pozas de baja velocidad y aguas profundas y cascadas de alta velocidad. De este modo, diferentes especies pueden encontrar un hábitat adecuado para la supervivencia y la reproducción. Myriophyllum y Perifiton (formas de algas) crecieron en el lecho del río, y el lecho de grava blanca original se cubrió con plantas acuáticas verdes. El número de especies de invertebrados se duplicó y el número de individuos por unidad de área aumentó de 10 a 85 veces. El sistema de pozas artificiales creó una gran resistencia al flujo y redujo los problemas de flujo de escombros. ^[52]

En otros lugares se utilizan sistemas de pozas escalonadas. Por ejemplo, Alemania invirtió 400.000 euros para construir un sistema artificial de pozas escalonadas en el río Mangfall, un afluente del río Inn. Italia imitó un sistema de pozas escalonadas y construyó un grupo de pequeñas presas con rocas, logrando resultados significativos en la estabilización de arroyos y la restauración de la ecología fluvial en los ríos de montaña del norte. ^[53] El sistema de pozas escalonadas artificiales construido en el río Kleinschmidt en Montana y en el río Little Snake en Wyoming restauró los hábitats del salmón y la trucha arcoíris. ^[54]

Restauración de humedales : la canalización del río Kissimmee en el centro de Florida destruyó o degradó la mayor parte del hábitat de peces y vida silvestre que alguna vez proporcionó el río y sus humedales de llanura aluvial. Un proyecto posterior restauró los recursos biológicos del río entre 1984 y 1989. El canal recto se volvió a serpentear, se redujo la velocidad del flujo y aumentó el nivel del agua. La reintroducción del flujo a través de los canales remanentes del río aumentó la diversidad del hábitat y condujo a respuestas favorables de las comunidades de peces e invertebrados. ^[55] El hábitat se restauró formando un "río de pasto" ancho y poco profundo que fluía lentamente a través de la jungla de los Everglades hacia los estuarios de manglares en el Golfo de México ^[56]

Restauración de la conectividad de los hábitats : La restauración de la conectividad entre hábitats que se convirtieron en fragmentos implica principalmente el dragado y la excavación de canales para conectar lagos, humedales y ríos y la creación de corredores ecológicos para los animales acuáticos. En 2012, la ciudad de Wuhan, China, conectó 20 lagos en la margen izquierda del río Yangtze. Se cavó un canal con un ancho máximo de 60 m y una profundidad de 1,5 m entre los lagos. La ciudad construyó la red ecológica del Gran Lago del Este en la margen derecha del río Yangtze, reconectando seis lagos al río. Durante el proyecto, se utilizaron estaciones de bombeo para intercambiar agua entre los lagos y el río para mejorar la calidad del agua. La reconexión del hábitat fragmentado reparó el ecosistema dañado. ^[57]

Se pueden dar muchos ejemplos. A continuación se presentan algunos:

Ecohidráulica para el desarrollo de la tierra: motor de arena (Países Bajos) - La ecohidráulica se utiliza cada vez más en la búsqueda de soluciones basadas en la naturaleza para el desarrollo sostenible. Un ejemplo emblemático de construcción con la naturaleza, el "motor de arena", se implementó por primera vez en los Países Bajos en 2011 como un proyecto piloto para proporcionar una solución alternativa para depositar una gran cantidad de arena a lo largo de la costa para nutrir la costa y proteger el interior de la erosión. Se construyó una península en forma de gancho de aproximadamente 21,5 millones de m ³ de arena que sobresalía 1 km en el mar y cubría unos 2 km a lo largo de la costa (Figura 3). Al hacer uso de procesos naturales como las olas, el viento y las mareas para redistribuir la arena, este enfoque innovador logró limitar la perturbación de los ecosistemas locales, al mismo tiempo que proporcionó nuevas áreas para la naturaleza y más tipos de recreación ^[58].

Ecohidráulica para restaurar el hábitat de las aves migratorias (Corea del Sur) - El estuario del río Nakdong está regulado por una presa de 2.400 metros de largo construida en 1987 para controlar la entrada de agua de mar a las tierras agrícolas y asegurar el suministro de agua potable y agrícola a las regiones cercanas, incluidas Busan, Ulsan y la provincia de Gyeongsang del Sur (Figura 4). Sin embargo, la biodiversidad del río se había reducido desde el establecimiento de la presa; la interrupción de la intrusión de agua de mar río arriba limitó el suministro de agua salobre a los arrozales que proporcionaban un hábitat natural para las aves migratorias. En 2019 se inició un proyecto de apertura parcial controlada de compuertas para restaurar y proteger la biodiversidad del estuario, y para su tercera apertura en julio de 2020, se confirmó la mejora, ya que las ecoespecies del estuario, incluidas las anguilas y las anchoas, se encontraron nuevamente en las aguas aguas arriba de las compuertas. Se formó una planicie de marea hacia la costa donde la arena y el lodo arrastrados por el río se acumulan y proporcionan un suelo fértil, lo que hace que la zona sea rica desde el punto de vista agrícola y restablece el hábitat para las aves migratorias. ^{[59] [60]}

También se pueden encontrar otros ejemplos de ecohidráulica en la Mediateca de la IAHR.

• Asociación Internacional de Ingeniería e Investigación Hidroambiental (IAHR)
• Biblioteca multimedia de la IAHR