Ingeniería fluvial

La ingeniería fluvial es una disciplina de la ingeniería civil que estudia la intervención humana en el curso, las características o el flujo de un río con la intención de producir algún beneficio definido. Las personas han intervenido en el curso y el comportamiento natural de los ríos desde antes de la historia escrita: para gestionar los recursos hídricos , para protegerse contra las inundaciones o para facilitar el paso a lo largo o a través de los ríos. Desde la dinastía Yuan y la época de la Antigua Roma , los ríos se han utilizado como fuente de energía hidroeléctrica . ^{[ 1 ]}

Desde finales del siglo XX en adelante, la práctica de la ingeniería fluvial ha respondido a preocupaciones ambientales que van más allá del beneficio humano inmediato. Algunos proyectos de ingeniería fluvial se han centrado exclusivamente en la restauración o protección de características y hábitats naturales . ^{[ 2 ]}

La hidromodificación abarca la respuesta sistemática a las alteraciones de cuerpos de agua fluviales y no fluviales, como aguas costeras ( estuarios y bahías ) y lagos. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) ha definido la hidromodificación como la "alteración de las características hidrológicas de las aguas costeras y no costeras, que a su vez podría causar la degradación de los recursos hídricos". ^{[ 3 ]} La ingeniería fluvial a menudo ha dado lugar a respuestas sistemáticas no deseadas, como la reducción del hábitat para peces y fauna silvestre, y alteraciones de la temperatura del agua y los patrones de transporte de sedimentos . ^{[ 4 ]}

A partir de finales del siglo XX, la disciplina de la ingeniería fluvial se ha centrado más en la reparación de las degradaciones hidromodificadas y en la consideración de la posible respuesta sistemática a las alteraciones planificadas, teniendo en cuenta la geomorfología fluvial . La geomorfología fluvial es el estudio de cómo los ríos cambian su forma con el tiempo. La geomorfología fluvial es la acumulación de varias ciencias, incluidas la hidráulica de canales abiertos , el transporte de sedimentos , la hidrología , la geología física y la ecología ribereña . Los profesionales de la ingeniería fluvial intentan comprender la geomorfología fluvial, implementar una alteración física y mantener la seguridad pública. ^{[ 5 ] : 3–13ss}

El tamaño de los ríos por encima de cualquier límite de marea y su descarga promedio de agua dulce son proporcionales a la extensión de sus cuencas y a la cantidad de lluvia que, después de caer sobre estas cuencas, llega a los cauces de los ríos en el fondo de los valles, por donde es transportada al mar. ^{[ 6 ]}

La cuenca hidrográfica de un río es la extensión de territorio delimitada por una divisoria de aguas (llamada «divisoria» en Norteamérica) sobre la cual la lluvia fluye hacia el río que atraviesa la parte más baja del valle, mientras que la lluvia que cae en la ladera opuesta de la divisoria fluye hacia otro río que drena una cuenca adyacente. Las cuencas hidrográficas varían en extensión según la configuración del país, desde las insignificantes áreas de drenaje de arroyos que nacen en terrenos elevados cerca de la costa y fluyen directamente hacia el mar, hasta inmensas extensiones continentales, donde los ríos que nacen en las laderas de las cordilleras tierra adentro deben atravesar vastas extensiones de valles y llanuras antes de llegar al océano. El tamaño de la cuenca hidrográfica más grande de cualquier país depende de la extensión del continente en el que se encuentra, su posición en relación con las regiones montañosas donde generalmente nacen los ríos y el mar en el que desembocan, y la distancia entre el nacimiento y la desembocadura en el mar del río que la drena. ^{[ 6 ]}

El caudal de los ríos depende principalmente de su desnivel, también conocido como pendiente o inclinación. Cuando dos ríos de distinto tamaño tienen el mismo desnivel, el río más grande tiene un caudal mayor, ya que la fricción con su lecho y sus orillas es menor en proporción a su volumen que en el caso del río más pequeño. El desnivel disponible en un tramo de río se corresponde aproximadamente con la pendiente del terreno que atraviesa; a medida que los ríos crecen cerca de la parte más alta de sus cuencas, generalmente en regiones montañosas, su desnivel es rápido cerca de su nacimiento y disminuye gradualmente, con irregularidades ocasionales, hasta que, al atravesar llanuras en la última parte de su curso, su desnivel suele ser bastante suave. Por consiguiente, en grandes cuencas, los ríos, en la mayoría de los casos, comienzan como torrentes con un caudal variable y terminan como ríos de caudal suave con una descarga relativamente regular. ^{[ 6 ]}

El flujo irregular de los ríos a lo largo de su curso constituye una de las principales dificultades para diseñar obras que mitiguen las inundaciones o mejoren su navegabilidad. En los países tropicales con lluvias periódicas, los ríos se desbordan durante la estación lluviosa y apenas tienen caudal el resto del año, mientras que en las regiones templadas , donde las precipitaciones se distribuyen de forma más uniforme a lo largo del año, la evaporación provoca que la lluvia disponible sea mucho menor en los calurosos meses de verano que en los de invierno, de modo que los ríos alcanzan su nivel mínimo en verano y son propensos a desbordarse en invierno. De hecho, en un clima templado, el año se puede dividir en una estación cálida y una fría, que se extienden de mayo a octubre y de noviembre a abril en el hemisferio norte , respectivamente; los ríos tienen caudales bajos y las inundaciones moderadas son poco frecuentes durante la estación cálida, mientras que durante la estación fría, los ríos tienen caudales altos y sufren inundaciones ocasionales tras lluvias intensas la mayoría de los años. Las únicas excepciones son los ríos que nacen en montañas cubiertas de nieve perpetua y se alimentan de glaciares ; sus crecidas se producen en verano por el deshielo, como el Ródano aguas arriba del lago de Ginebra y el Arve , que se une a él aguas abajo. Pero incluso estos ríos pueden ver modificado su caudal por la afluencia de afluentes con condiciones diferentes, de modo que el Ródano aguas abajo de Lyon tiene un caudal más uniforme que la mayoría de los ríos, ya que las crecidas estivales del Arve se ven contrarrestadas en gran medida por el bajo nivel del Saona que desemboca en el Ródano en Lyon, cuyas crecidas se producen en invierno, cuando el Arve, por el contrario, tiene un caudal bajo. ^{[ 6 ]}

Otro obstáculo importante en la ingeniería fluvial consiste en la gran cantidad de detritos que arrastran durante las crecidas, provenientes principalmente de la desintegración de las capas superficiales de las colinas y laderas en las partes altas de los valles por glaciares, heladas y lluvias. La capacidad de una corriente para transportar materiales varía con su velocidad , de modo que los torrentes con una caída rápida cerca de las fuentes de los ríos pueden arrastrar rocas, cantos rodados y piedras grandes, que se desgastan gradualmente en su curso hasta convertirse en pizarra , grava , arena y limo , simultáneamente con la reducción gradual de la caída y, por consiguiente, de la fuerza de transporte de la corriente. En consecuencia, en condiciones normales, la mayor parte de los materiales arrastrados desde las tierras altas por los cursos de agua torrenciales son llevados por el río principal hacia el mar, o parcialmente esparcidos sobre llanuras aluviales planas durante las crecidas; El tamaño de los materiales que forman el lecho del río o que son transportados por la corriente se reduce gradualmente al avanzar hacia el mar, de modo que en el río Po en Italia, por ejemplo, se encuentran guijarros y grava durante aproximadamente 140 millas río abajo de Turín , arena durante las siguientes 100 millas y limo y lodo en las últimas 110 millas (176  km). ^{[ 6 ]}

La eliminación de obstrucciones, naturales o artificiales (por ejemplo, troncos de árboles, rocas y acumulaciones de grava), del lecho de un río constituye un medio sencillo y eficaz para aumentar la capacidad de descarga de su cauce. En consecuencia, dichas eliminaciones reducirán la altura de las crecidas aguas arriba. Todo impedimento al flujo, en proporción a su extensión, eleva el nivel del río por encima de él, produciendo así la caída artificial adicional necesaria para que el flujo atraviese el cauce restringido, reduciendo de este modo la caída total disponible. ^{[ 6 ]}

Reducir la longitud del canal sustituyendo un curso sinuoso por tramos rectos es la única forma de aumentar la pendiente efectiva. Esto implica cierta pérdida de capacidad en el canal en su conjunto, y en el caso de un río grande con un caudal considerable, es difícil mantener un tramo recto debido a la tendencia de la corriente a erosionar las orillas y formar nuevamente un canal sinuoso . Incluso si se conserva el tramo recto protegiendo las orillas, es probable que produzca cambios en los bancos de arena y eleve el nivel de inundación en el canal justo debajo de su terminación. Sin embargo, donde la pendiente disponible es excepcionalmente pequeña, como en tierras originalmente ganadas al mar, como los Fenlands ingleses , y donde, en consecuencia, el drenaje es en gran medida artificial, se han formado canales rectos para los ríos. Debido al valor percibido en la protección de estas tierras fértiles y bajas contra las inundaciones, también se han previsto canales rectos adicionales para la descarga de agua de lluvia, conocidos como drenajes en los fenlands. Incluso una modificación sustancial del curso de un río, combinada con la ampliación de su cauce, suele producir una reducción limitada de los daños causados ​​por las inundaciones. Por consiguiente, estas obras de control de inundaciones solo resultan rentables ^{[ 6 ]} cuando se ven amenazados bienes importantes (como una ciudad). Además, incluso cuando tienen éxito, estas obras pueden simplemente trasladar el problema aguas abajo y amenazar a otra ciudad. Las recientes obras de control de inundaciones en Europa han incluido la restauración de llanuras aluviales naturales y cauces sinuosos, de modo que el agua de la inundación se retiene y se libera más lentamente.

La intervención humana a veces modifica inadvertidamente el curso o las características de un río, por ejemplo, al introducir obstrucciones como desechos mineros, compuertas para molinos, trampas para peces, pilares excesivamente anchos para puentes y diques sólidos . Al impedir el flujo, estas medidas pueden elevar el nivel de inundación aguas arriba. Las regulaciones para la gestión de los ríos pueden incluir prohibiciones estrictas con respecto a la contaminación , requisitos para ampliar las compuertas y la elevación obligatoria de las mismas para el paso de las inundaciones, la eliminación de trampas para peces , que con frecuencia se bloquean con hojas y basura flotante, la reducción del número y ancho de los pilares de los puentes al reconstruirlos, y la sustitución de diques sólidos por diques móviles. ^{[ 6 ]}

Instalando medidores en puntos adecuados de un río de tamaño considerable y sus afluentes, y registrando continuamente durante un tiempo las alturas del agua en las distintas estaciones, se puede determinar la crecida de las crecidas en los diferentes afluentes, el tiempo que tardan en descender hasta estaciones específicas del río principal y la influencia que ejercen individualmente sobre la altura de las crecidas en estos lugares. Con la ayuda de estos registros, y observando los tiempos y las alturas de la crecida máxima de una crecida en particular en las estaciones de los distintos afluentes, se puede predecir con notable precisión la hora de llegada y la altura máxima de la crecida en cualquier estación del río principal con dos o más días de antelación. Al comunicar estos detalles sobre una crecida importante a las poblaciones del curso inferior del río, los encargados de las presas pueden abrir completamente las compuertas móviles con antelación para permitir el paso de la crecida, y los habitantes ribereños reciben una advertencia oportuna de la inminente inundación. ^{[ 6 ]}

Cuando partes de una ciudad ribereña se encuentran por debajo del nivel máximo de inundación, o cuando es importante proteger los terrenos colindantes con un río de las inundaciones, el desbordamiento del río debe desviarse hacia una presa de contención o confinarse dentro de terraplenes continuos a ambos lados. Al ubicar estos terraplenes ligeramente alejados del margen del lecho del río, se crea un amplio canal de desagüe para la descarga del río tan pronto como se desborda, sin alterar el cauce natural para el flujo ordinario. Los terraplenes bajos pueden ser suficientes cuando solo se deben excluir de los prados las inundaciones excepcionales de verano. Ocasionalmente, los terraplenes se elevan lo suficiente como para contener las inundaciones durante la mayor parte del año, mientras que se prevé la salida de las raras inundaciones excepcionalmente altas en puntos específicos de los terraplenes, donde se protege de la erosión de la corriente y la inundación de los terrenos vecinos es mínima. De esta forma, se evita el aumento del costo de los terraplenes elevados por encima del nivel máximo de inundación, que rara vez se produce, así como el peligro de rupturas en los diques debido a una crecida inusualmente alta y un flujo rápido, con sus efectos desastrosos. ^{[ 6 ]}

Una objeción muy seria a la formación de terraplenes altos y continuos a lo largo de los ríos que arrastran cantidades considerables de detritos, especialmente cerca de un lugar donde su caída se ha reducido abruptamente al descender desde las laderas de las montañas hacia las llanuras aluviales, es el peligro de que su lecho se eleve por la sedimentación , produciendo un aumento en el nivel de la inundación y haciendo necesaria la elevación de los terraplenes para prevenir las crecidas. Las secciones longitudinales del río Po , tomadas en 1874 y 1901, muestran que su lecho se elevó considerablemente durante este período desde la confluencia con el Ticino hasta aguas abajo de Caranella , a pesar de la remoción de sedimentos efectuada por el flujo a través de las brechas. Por lo tanto, la finalización de los terraplenes, junto con su elevación, solo agravaría a la larga los daños de las inundaciones que se han diseñado para prevenir, ya que la fuga de las inundaciones del río elevado debe ocurrir tarde o temprano. ^{[ 6 ]}

Se ha culpado a los controles urbanísticos inadecuados , que permitieron la construcción en llanuras aluviales, de las inundaciones en viviendas. La canalización se realizó bajo la supervisión o dirección general de ingenieros empleados por la autoridad local o el gobierno nacional. Una de las zonas más canalizadas de Estados Unidos es el oeste de Tennessee , donde todos los arroyos principales, con una sola excepción (el río Hatchie ), han sido canalizados parcial o totalmente.

La canalización de un arroyo puede realizarse por varias razones. Una es hacer que el arroyo sea más apto para la navegación o para la navegación de embarcaciones más grandes con calado profundo. Otra es restringir el agua a una zona determinada de las tierras bajas naturales del arroyo para que la mayor parte de dichas tierras pueda destinarse a la agricultura. Una tercera razón es el control de inundaciones, con la idea de dotar al arroyo de un cauce suficientemente grande y profundo para que las inundaciones más allá de esos límites sean mínimas o inexistentes, al menos de forma rutinaria. Una razón importante es reducir la erosión natural ; a medida que un curso de agua natural serpentea, generalmente deposita arena y grava en el interior de las curvas donde el agua fluye lentamente, y erosiona arena, grava, subsuelo y la valiosa capa superficial del suelo de las curvas exteriores donde fluye rápidamente debido al cambio de dirección. A diferencia de la arena y la grava, la capa superficial del suelo que se erosiona no se deposita en el interior de la siguiente curva del río. Simplemente se la lleva el agua.

La canalización tiene varios efectos negativos predecibles. Uno de ellos es la pérdida de humedales . Los humedales constituyen un excelente hábitat para diversas especies de fauna silvestre y, además, actúan como filtro para gran parte del agua dulce superficial del planeta. Otro efecto es que los arroyos canalizados casi siempre se rectifican. Por ejemplo, la canalización del río Kissimmee en Florida se ha citado como una causa que contribuye a la pérdida de humedales. ^{[ 7 ]} Esta rectificación provoca que los arroyos fluyan más rápidamente, lo que, en algunos casos, puede aumentar considerablemente la erosión del suelo. También puede incrementar las inundaciones aguas abajo de la zona canalizada, ya que mayores volúmenes de agua que viajan más rápido de lo normal pueden alcanzar puntos críticos en un período de tiempo más corto, con un efecto neto de control de inundaciones en un área a expensas de un agravamiento de las inundaciones en otra. Además, los estudios han demostrado que la canalización de arroyos provoca la disminución de las poblaciones de peces de río. ^{[ 5 ] : 3-1 y siguientes}

Un estudio de 1971 sobre el río Chariton, en el norte de Misuri , Estados Unidos, reveló que la sección canalizada del río albergaba solo 13 especies de peces, mientras que el segmento natural del arroyo era hogar de 21 especies. ^{[ 8 ]} La biomasa de peces que se podían capturar en los segmentos dragados del río era un 80% menor que en las partes naturales del mismo arroyo. Se cree que esta pérdida de diversidad y abundancia de peces se debe a la reducción del hábitat, la eliminación de rápidos y pozas, una mayor fluctuación de los niveles del arroyo y la temperatura del agua, y el cambio de sustratos. La tasa de recuperación de un arroyo una vez dragado es extremadamente lenta, y muchos arroyos no muestran una recuperación significativa entre 30 y 40 años después de la canalización. ^{[ 9 ]}

Por las razones antes mencionadas, en los últimos años la canalización de arroyos se ha reducido en los Estados Unidos, e incluso en algunos casos se ha revertido parcialmente. En 1990, el Gobierno de los Estados Unidos publicó una política de " cero pérdida neta de humedales", según la cual un proyecto de canalización de arroyos en un lugar debe compensarse con la creación de nuevos humedales en otro, un proceso conocido como "mitigación". ^{[ 10 ]}

La principal agencia involucrada en la aplicación de esta política es el mismo Cuerpo de Ingenieros del Ejército, que durante varios años fue el principal promotor de la canalización a gran escala. A menudo, en los casos en que se permite la canalización, se pueden instalar rocas en el lecho del nuevo canal para disminuir la velocidad del agua, y los canales también pueden curvarse deliberadamente. En 1990, el Congreso de los Estados Unidos otorgó al Cuerpo de Ingenieros del Ejército un mandato específico para incluir la protección ambiental en su misión, y en 1996 lo autorizó a emprender proyectos de restauración. ^{[ 11 ]} La Ley de Agua Limpia de los Estados Unidos regula ciertos aspectos de la canalización al exigir que las entidades no federales (es decir, gobiernos estatales y locales , particulares) obtengan permisos para las operaciones de dragado y relleno. Los permisos son emitidos por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército con la participación de la EPA. ^{[ 12 ]}

Los ríos cuyo caudal tiende a disminuir considerablemente en su nivel bajo, o que presentan una caída algo pronunciada, como suele ocurrir en la parte alta de los ríos, no pueden alcanzar una profundidad adecuada para la navegación únicamente mediante obras que regulen el caudal; su nivel habitual de verano debe elevarse represando el flujo con diques a intervalos a lo largo del cauce, mientras que se debe construir una esclusa junto al dique, o en un canal lateral, para permitir el paso de las embarcaciones. De este modo, el río se transforma en una sucesión de tramos relativamente llanos que ascienden escalonadamente aguas arriba, proporcionando una navegación en aguas tranquilas comparable a la de un canal; pero se diferencia de un canal en la introducción de diques para mantener el nivel del agua, en la provisión de una descarga regular del río en los diques, y en que los dos umbrales de las esclusas se colocan al mismo nivel en lugar de elevar el umbral superior por encima del inferior en la misma medida que la pendiente de la esclusa. ^{[ 6 ]}

La canalización garantiza una profundidad navegable definida; y el caudal del río suele ser más que suficiente para mantener el nivel del agua embalsada, además de proporcionar el agua necesaria para las esclusas. Sin embargo, la navegación puede verse interrumpida durante las crecidas, que en muchos casos superan la altura de las esclusas; y en climas fríos, se ve necesariamente interrumpida en todos los ríos por heladas prolongadas e intensas, y especialmente por el hielo. Numerosos ríos pequeños, como el Támesis por encima de su límite de marea, se han vuelto navegables gracias a la canalización, y varios ríos de tamaño considerable han proporcionado así una buena profundidad para los buques a distancias considerables tierra adentro. Así, el Sena canalizado ha conseguido una profundidad navegable de 3,2 metros (10 1/2 pies) desde su límite de marea hasta París, una distancia de 217 kilómetros (135 millas), y una profundidad de 2,06 metros (6 3/4 pies ) hasta Montereau, 100 kilómetros (62 millas) más arriba . ^{[ 6 ]}

A medida que los ríos fluyen hacia el mar, experimentan una disminución considerable en su desnivel y un aumento progresivo en la cuenca que drenan, debido a la afluencia sucesiva de sus diversos afluentes. De este modo, su corriente se vuelve gradualmente más suave y su caudal mayor y menos propenso a variaciones bruscas; y, en consecuencia, se vuelven más aptos para la navegación. Finalmente, los grandes ríos, en condiciones favorables, suelen constituir importantes vías fluviales naturales para la navegación interior en la parte baja de su curso, como, por ejemplo, el Rin , el Danubio y el Misisipi . Las obras de ingeniería fluvial solo son necesarias para evitar cambios en el curso del río, regular su profundidad y, especialmente, fijar el cauce de bajamar y concentrar el flujo en él, de manera que se incremente, en la medida de lo posible, la profundidad navegable en el nivel más bajo del agua.

Las obras de ingeniería para aumentar la navegabilidad de los ríos solo pueden llevarse a cabo ventajosamente en ríos grandes con un desnivel moderado y un caudal adecuado en su nivel más bajo, ya que con un desnivel pronunciado la corriente representa un gran impedimento para la navegación aguas arriba, y generalmente se producen variaciones en el nivel del agua, y cuando el caudal disminuye durante la estación seca, resulta imposible mantener una profundidad suficiente en el cauce de aguas bajas. ^{[ 6 ]}

La posibilidad de lograr una profundidad uniforme en un río mediante la reducción de los bajíos que obstruyen el cauce depende de la naturaleza de estos. Un bajío blando en el lecho de un río se debe a la deposición de sedimentos por una disminución en la velocidad del flujo, producida por una reducción de la pendiente y por un ensanchamiento del cauce, o a una pérdida de concentración de la erosión de la corriente principal al pasar de una orilla cóncava a la siguiente en el lado opuesto. La reducción de dicho bajío mediante dragado solo produce un aumento temporal de la profundidad, ya que pronto se vuelve a formar a partir de las causas que lo originaron. Además, la eliminación de las obstrucciones rocosas en los rápidos, si bien aumenta la profundidad y uniformiza el flujo en estos lugares, produce una disminución del nivel del río aguas arriba de los rápidos al facilitar la salida de agua, lo que puede resultar en la aparición de nuevos bajíos durante la bajamar. Sin embargo, cuando estrechos arrecifes rocosos u otros bajíos duros se extienden a lo largo del fondo de un río y presentan obstáculos a la erosión por la corriente de los materiales blandos que forman el lecho del río por encima y por debajo, su eliminación puede resultar en una mejora permanente al permitir que el río profundice su lecho por erosión natural. ^{[ 6 ]}

La capacidad de un río para proporcionar una vía navegable durante el verano o la estación seca depende de la profundidad que pueda alcanzar el cauce en su nivel más bajo. El problema durante la estación seca radica en el escaso caudal y la falta de erosión. Una solución típica consiste en restringir el ancho del cauce de bajamar, concentrar todo el flujo en él y fijar su posición para que las crecidas, que siguen la parte más profunda del lecho a lo largo de la corriente más fuerte, lo erosionen anualmente. Esto se puede lograr cerrando los cauces secundarios de bajamar con diques y estrechando el cauce en su nivel más bajo mediante diques transversales de poca pendiente que se extienden desde las riberas del río, siguiendo la pendiente y apuntando ligeramente aguas arriba para dirigir el agua que fluye sobre ellos hacia un cauce central. ^{[ 6 ]}

Las necesidades de navegación también pueden requerir que se prolongue un canal navegable estable y continuo desde el río navegable hasta aguas profundas en la desembocadura del estuario . La interacción entre el caudal del río y la marea debe modelarse mediante ordenador o utilizando maquetas a escala, adaptadas a la configuración del estuario en cuestión y que reproduzcan en miniatura el flujo y reflujo de las mareas y la descarga de agua dulce sobre un lecho de arena fina, en el que se pueden insertar sucesivamente varias líneas de muros de contención. Los modelos deben ser capaces de proporcionar indicaciones valiosas sobre los efectos respectivos y las ventajas comparativas de los diferentes esquemas propuestos para las obras. ^{[ 6 ]}

• erosión del puente
• Control de inundaciones

• Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos – Programa de Obras Civiles
• Referencias sobre morfología fluvial y restauración de arroyos - Hidrología de zonas silvestres en los archivos web de la Biblioteca del Congreso (archivado el 13 de agosto de 2002)