1t ----------------....,....---------..,-- NOCIONES DE MORFOLOG(A FLUVIAL

2. Nociones de morfologa fluvial

2.1 Introduccin

El objetivo de este captulo es proporcionar un conocimiento de las caractersticas fsicas de los ros que son de utilidad para el ana1isis de las intervenciones en ellos. La diversidad de los ros es virtualmente infinita porque no existen dos lugares iguales en clima, relieve, geologa, hidrologa, etc. Sin embargo, algunas caractersticas morfolgicas frecuentes e importantes merecen la atencin del ingeniero. Este captulo tiene un carcter descriptivo que lo emparenta con la geografa fsica (geomorfologa), a diferencia del captulo siguiente que tendr un nfasis mecnico o analtico.

2.2 Clasificacin bsica de los ros

En primer lugar los ros tienen un rgimen hidrolgico determinado por las caractersticas de la cuenca y de las precipitaciones (lluvia y nieve). Estamos acostumbrados a relacionar el caudal de un ro con las lluvias inmediatamente precedentes y as pensamos en la escorrenta directa de la cuenca como la realidad hidrolgica ms importante. Conviene sealar que en otros casos la fusin de laS-nieves explica el rgimen del ro. En grandes ros de climas tropicales el rgimen hidrolgico tiene una fuerte y regular estacionalidad, es decir hay un largo periodo de aguas altas que puede esperarse cada ao. Las aguas subterrneas explican la permanencia de un caudal base de un ro durante un periodo seco y a la inversa la infiltracin a travs de un cauce permeable explica que los ros se sequen.

A este respecto se llaman ros efmeros, por oposicin a ros perennes, aquellos que slo llevan agua en episodios de fuertes precipitaciones, mientras que se mantienen secos el resto del tiempo. Son tpicos de climas ridos y semiridos. Las ramblas, barrancos y algunas rieras mediterrneas son un ejemplo de este tipo especial de ros.

Se llaman ros aluviales aquellos que discurren por materiales sedimentarios modernos, generalmente aportados por el propio ro. El lecho de estos ros tiene un cierto espesor de material granular prcticamente suelto. Asimismo, es muy comn que los materiales aluviales ocupen mucha ms extensin horizontal que la del cauce actual, formando unas llanuras ocasionalmente inundables llamadas llanuras de inundacin. Estos ros pueden evolucionar a travs de estas llanuras y causar cambios importantes de los cauces. Los problemas ms importantes que afronta la ingeniera fh,1vial se refieren a ros de estas caractersticas, porque frecuentemente en sus valles aluviales se asienta la

25

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

26

INGE:-.IIERiA D ROS ------------------------------ 7t

mayor densidad de actividades humanas. Por contra, los ros de lecho rocoso o cohesivo suelen ser ros encajados o incisos en los valles, desde el punto de vista morfolgico, y con menos interaccin con los asentamientos de poblacin.

La pendiente de un ro establece la diferencia ms importante en cuanto al rgimen hidrulico. Se llaman ros torrenciales* los que tienen una pendiente mayor del 1,5% y torrentes los cursos de agua de pendiente mayor que el 6%. La llamada hidrulica torrencial estudia el flujo de los torrentes (cf.3.16). Se usan mucho los trminos ro de montaa y ro de llanura para aludir al contexto geogrfico y a la pendiente del ro, aunque sin una definicin precisa. Segn la composicin del material aluvial se diferencia entre ros de grava y ros de arena {cf.3 .10).

El papel geolgico de un ro es, a muy grandes rasgos, la erosin en la cabecera de la cuenca donde la pendiente es mayor y el material del cauce ms grueso, el transporte en el tramo medio y la sedimentacin en el tramo bajo donde la pendiente es menor y el material del cauce ms fino. Esto da un perfll longitudinal tpicamente cncavo y una distribucin del tamao del material granular menguante en la direccin de aguas abajo.

2.3 Hidrologa fluvial

Podemos entender por hidrologa fluvial el estudio de la secuencia en que se presentan los caudales de un ro y hablamos de rgimen hidrolgico {pluvial, ni val, pluvio-nival, tropical , monznico,. ... ) para referirnos a explicaciones causales de las regularidades. Una idea implcita en el estudio de los ros es que las regularidades se pueden estudiar en la escala temporal del ao. As, con los datos diarios de un ao se caracteriza el rgimen hidrolgico de un ro, ms o menos permanente, mientras aos de aguas abundantes o escasas son irregularidades en una secuencia interanual (secuencias formadas con un dato de aportacin total por afio). Ordenando de mayor a menor los caudales medios diarios anuales se forma la curva de caudales clasificados o de frecuencia de caudales, cuya rea es la aportacin anual {fig. 2.1). Esta curva contiene los primeros datos fundamentales para caracterizar un ro.

O n dfos O n/365

Fig. 2.1 Curva de. caudales clasificados (izquierda) y caracterfsticas de un hidro grama (derecha)

Adems del rgimen anual, los ros experimentan fenmenos de crecida o avenida de carcter extraordinario. En las avenidas la atencin se fija en primer lugar en el caudal mximo instantneo Q, mayor que el medio diario correspondiente. Estos valores son extraos a la curva de caudales

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

1t ---- ---------------------- NQC[ONES DE MORFOLOGA FLUVU.L

clasificados .porque no significan lo mismo: su inclusin en la curva implicara que esos caudales se producen necesariamente. Por el contrario, con los valores mximos instantneos de cada ao se forma una secuencia que se estudia estadsticamente para caracterizar la probabilidad de ocurrencia. Un caudal Q tiene periodo de retomo T si la probabilidad de ser superado en un afio es 1/T.

La forma del hidrograma de avenida es tambin importante enel estudio de un ro. La duracin de caudales elevados cercanos al mximo o la pendiente de las curvas de ascenso o descenso (esta ltima ms suave generalmente) influyen en la accin del agua sobre el cauce. Los fenmenos transitorios de erosin del cauce estn relacionados con la forma del hidrograma. Otros fenmenos de erosin importantes en ingeniera fluvial son acumulativos, o sea estn influidos por la duracin. Asimismo el volumen de inundacin y la duracin de una inundacin son varia~les importantes en el da.o ocasionado por las aguas desbordadas de un ro. Ambas variables se encuentran representadas en el hidrograma de la crecida (fig. 2.1). La forma de la cuenca y de su red de drenaje determinan la forma del hidrograma. As tambin, los afluentes suman su hidrograma al del ro de modo que pueden coincidir sus fases de ascenso y descenso ("amplificacin" del hidro grama) o bien no coincidir (hidrogramas "desfasados").

2.4 Morfologa fluvial: formas en planta

En la naturaleza es muy raro encontrar cauces rectos y regulares. En cambio, se distinguen dos morfologas fluviales tpicas. La primera es el cauce trenzado (o con anastomosis, un trmino originario de la anatoma(l>, fig. 2.2). Es un cauce muy ancho, compuesto por una multiplicidad de cauces menores entrelazados o trenzados, que dejan islas (sumergibles) entre s al unirse y separarse. Son cauces inestables en el sentido de que una crecida puede cambiarlos considerablemente. De este modo se llaman "divagantes" porque un brazo principal puede encontrarse tan pronto en un lugar como en otro. Su presencia se asocia a una gran capacidad de transporte slido. Dicho de otro modo, una corriente muy cargada de sedimentos es propensa a formar un cauce trenzado. Esto ocurre, por ejemplo, en cauces de monta.a con pendiente alta y sedimento grueso. Tambin es frecuente encontrar cauces trenzados en las llamadas reas de piedemonie, donde los ros abandonan sus cursos de montaa perdiendo pendiente y depositando su carga slida.

A A' :-:::~":"7?,':,.>: :> .~

A'i Fig.2.2 Planta y seccin transversal de un cauce trenzado.

La segunda morfologa tpica es la de un cauce sinuoso o con meandros (meandriforme, meandrizante o mendrico, fig.2.3). El cauce es nico pero forma curvas. Se ha observado en laboratorio que una corriente de agua y sedimento circulando sobre un cauce aluvial recto da lugar a meandros a partir de la ms mnima imperfeccin de la alineacin recta o por una causa externa accidentalC2>. La ondulacin en planta se acompa.a de una asimetra en las secciones transversales, ya que el calado es mayor junto a la orilla cncava o exterior y menor junto a la orilla convexa o

27

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

INGENIERA DERIOS ------------------------------ 1t

interior. El lugar geomtrico de los puntos de mayor profundidad se llama thalweg (del alemn, "camino por el valle"). En la orilla interior se depositan materiales que emergen en forma de playas, llamadas barras alternadas (cf.3.9). Los meandros son una morfologa dinmica en el sentido de que presentan una evolucin. Aunque la evolucin es compleja, podra decirse que es la combinacin de dos movimientos: una progresin o desplazamiento en direccin aguas abajo y una profundizacin a costa de las orillas, en direccin perpendicular a la anterior (fig. 2.3).

Fig. 2.3 Cauce meandriforme: moifologla (planta y secciones transversales vistas en el sentido de la corriente) y evolucin ideal (derecha).

El ritmo de la evolucin de los meandros depende de la resistencia de las orillas a la erosin. En el caso de ros que discurren por llanos aluviales poco resistentes, donde no existe restriccin a la "libertad" de esta evolucin, los meandros se mueven grandes distancias. Los meandros pueden ser regulares o bien irregulares, es decir "deformados". debido especialmente a la heterogeneidad en la resistencia de las orillas. Tambin pueden ser simples si slo presentan una frecuencia o longitud de onda dominante, o bien compuestos, con ms de una frecuencia dominante (fig. 2.4). El punto final de la evolucin "libre" de un meandro es su estrangulamiento, es decir el encuentro en el "cuello" para formar un atajo y el abandono de los lbulos que quedan como lagos (fig. 2.5).

Fig. 2.4 Meandros regulares, irregulares, simples y compuestos.

Fig. 2.5 Estrangulamiento o corte natural de un meandro y formacin de lagos.

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

1t ----------------------- --- NOCIONES DE MORFOLOGA FLUVIAL

2.5 Geometra hidrulica de un ro

Si se le permiten todos sus grados de libertad, un ro es una corriente de agua que forma su cauce ajustando libremente la anchura, el calado y la planta (cf.1) . El problema de predecir o deducir esta geometra del ro ha ocupado a muchos investigadores en geomorfologa. Se cuenta con observaciones relativamente sencillas de las caractersticas geomtricas de los ros que sugieren relaciones empricas entre ellas. Dando un paso ms, la pregunta de por qu adopta el ro tales formas permanece todava sin contestacin completa. Este es el caso del porqu de los meandros.

La primera relacin emprica de inters es en qu condiciones un ro forma un ca\lce trenzado o un cauce nico meandriforme. La relacin* iQ044=0.0116, donde i es la pendiente y Q el caudal (m3/s), establece una frontera entre una y otra morfologa. Si iQ044 > 0.0116 el ro es trenzado y en caso contrario meandriforme. De todos modos, esta frontera no distingue ntidamente sino que se traza dentro de una considerable dispersin. De hecho, muchos ros son trenzados y sinuosos al mismo tiempo (fig. 2.6) y as la clasificacin es tambin ms difusa. El carcter trenzado y el mendrico pueden verse como dos ingredientes presentes en distintas proporciones en un ro real. Es frecuente que un ro sea trenzado en su tramo alto y luego pase a ser meandriforme aguas abajo, donde la pendiente es menor aunque el caudal es mayor.

Fig.2.6 Ro trenzado y sinuoso.

En los ros de meandros se aceptan como significativas, pese a la lgica dispersin de los datos de campo, algunas relaciones empricas entre la longitud de onda de la forma A (fig.2.7), su amplitud a , el caudal Q y la anchura del cauce (en la superficie libre) B. La longitud/... es de 7 a 11 veces la anchura del ro B (la proporcin ms comn es 10; entre A y B se propone una relacin potencial pero el exponente de B resulta prcticamente la unidad) y la amplitud a es unas tres veces la anchura B, aunque esta ltima relacin tiene menos fundamento, debido a que cambia ms durante la evolucin de un meandro, mientras que por el contrario A puede permanecer ~nvariable (fig.2.3).

Q05 Finalmente "- es proporcional a --or .

D

sinusoide

Fig. 2. 7 Parmetros de una planta sinuosa.

29

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

30

INGENIERADERIOS ------------------------- ----- 1t

Otro parmetro geomtrico de un rio meandriforme es la sinuosidad s, cociente de la longitud l a lo largo del valle y la longitud de onda A. (fig. 2.7). La geometra en planta de un meandro regular y simple parece describirse bien mediante la ecuacin* :: e =So sen (2TI s/1) , donde e es el ngulo del eje con la direccin del valle y s es la coordenada arco (fig. 2.7). Con esta ecuacin se pueden dibujar meandros en cualquier grado de desarrollo, incluso al lmite de su .estrangulamiento (c.4.24).

Por otra parte, exannando las dimensiones de las secciones transversales de los .ros se ha encontrado que la anchura B es proporcional a la raz cuadrada del caudal (s ~ Q 05 ) , es decir, que un ro cuatro veces ms caudaloso que otro tendr una anchura aproximadamente doble. Obsrvese que esta relacin.es consistente con las del prrafo anterior (A.~Q05 y anteriormente A. ~ a). Estas relaciones cualitativas se pueden concretar en expresiones de clculo a travs de la teora del rgimen, que se estudiar en el captulo 5.

Un hecho claro en el movimiento del agua en lmina libre es que la velocidad media es mayor cuanto mayor es. el tamao de la seccin, ms concretamente cuanto mayor es su dimensin vertical, profundidad, tirante o calado y (debe recordarse la frmula de Manning, cf.5.9, en la que v H y 213 en un cauce ancho ) . Como el producto B y v es el caudal Q y como BB Q05 , se desprende que el calado y crecer con el caudal ms suavemente que la anchura B, al igual que la velocidad (c.2.1). Por lo tanto, el cociente B/y, llamado relacin de forma de la seccin, crecer, aunque suavemente,

con el caudal. Es decir, un ro ms caudaloso da un cauce ms ancho y profundo pero es an ms ancho, proporcionalmente a su profundidad, que un ro menos caudaloso (fig. 2.8).

, 8 ~ , 8 "" 1 1 1 1

""= -7 1> " -7j """'""

1 ~ 2 (8/y) 1 > (B/y)2

Fig. 2.8 Comparacin de las relaciones deforma o anchuras relativas de un r(o grande y uno pequeo.

Las relaciones anteriores muestran que el caudal Q determina la anchurn B y la longitud de onda A. de tal modo que existe una semejanza geomtrica entre la planta de los ros meandriformes grandes y la de los pequeos. En cambio, sus secciones transversales no guardan semejanza geomtrica sino que existe una "distorsin" entre dimensin vertical y horizontal. Los mismos hechos sirven para pronosticar que el aumento de caudal de un ro tender a hacerlo ms ancho, ms profundo (aunque el aumento de profundidad es proporcionalmente menor que el aumento de anchura), de mayor longitud de onda, pero de la misma sinuosidad.

Otra relacin emprica indica que el cociente B/y es mayor cuanto menor es el contenido cle material flno en el cauce, es decir, con material ms grueso se tienen cauces ms anchos (fig.2.9). El mismo efecto de aumentar B/y ocurre cuanto mayor es el transporte slido del ro (el tamao del material aluvial y el caudal de dicho material transportado tienen el mismo efecto morfolgico en la seccin transversal). Otra consecuencia observada del aumento del transporte slido es la disminucin de la

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

n ------------------------------------------------------NOOO~DEMO~O~~FLU~L

sinuosidad, es decir el cauce se hace ms recto. Siguiendo con este razonamiento de un aumento del tansporte slido o de su tamao caracterstico, la seccin puede hacerse tan ancha y tan somera, y la planta del cauce tan poco curva, que el ro pase de hecho de ser meandriforme a ser trenzado. Esto puede ocurrir cuando se producen aportaciones grandes de material , procedente por ejemplo de las orillas (cf.2.11).

Fig. 2.9 Formas de seccin transversal con material grueso (1), medio (2) y fino (3) si se conservan iguales Las restantes condiciones.

2.6 Caudal dominante

En las relaciones geomtricas anteriores no se ha especificado qu caudal debe emplearse. Esta es una pregunta pertinente dado que un ro transporta un caudal siempre variable. La respuesta, que puede parecer trivial o elusiva, sera la siguiente: debe emplearse el caudal que da lugar a la geometra hidrulica que se estudia. Esto significa reconocer que la geometra es consecuencia del caudal y, ms concretamente, que si una geometra es permanente se debe a que ciertos caudales, por su magnitud, por su frecuencia o por una combinacin de ambas cosas, se convierten en los caudales determinantes.

Esta nocin tiene un referente claro en geomorfologa fluvial. Muchos ros tienen un cauce, lecho, madre o lveo diferenciado, ms o menos hondo y ancho, y limitado por unas orillas que lo separan de las llanuras de inundacin (fig.2.10). Lo llamamos tambin cauce principal .

.

desbordamiento

Fig. 2.10 Ilustracin del concepto de caudal dominante. A La derecha grfico de variacin de la tensin tangencial en funcin del caudal circulante.

Imaginemos un llano perfecto por donde comenzara a discurrir un ro: los caudales normales N,;czaran por abrir un reguero en el llano, al principio pequeo, que ira creciendo. Por su parte, m aguas altas desbordaran con frecuencia y haran crecer rpidamente las llanuras por efecto de la cntacin. Esta subida de las llanuras y el aumento de tamao del cauce poco a poco haran ms i16ccuente el desbordamiento. Este proceso tendera asintticamente a un equilibrio, con un cauce piw \lill que contendra las aguas la mayor parte del tiempo excepto unos pocos sucesos (avenidas) ~ ca:ederan su capacidad. Esta es una explicacin evolutiva de la existencia del cauce principal.

31

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

32

INGENIERA DERfOS ------------------------------ 1t

El ro desborda de su cauce, sale de su madre, alguna que otra vez. El caudal que llena a rebosar el cauce es especialmente importante porque es el principal responsable de la forma y las dimensiones del cauce. Esto es as porque mientras el agua est contenida en el cauce, circula con cierta velocidad, en tanto que cuando desborda levemente, el incremento de caudal simplemente anega las llanuras adyacentes y deposita sedimento en ellas, pero no cambia sustancialmente el flujo en el cauce principal.

El caudal que llena el cauce principal desarrolla la mayor o m~s importante accin modeladora sobre el cauce (en trminos de velocidad v o de tensin tangencial r fuerza por unidad de superficie-), puesto que un caudal mayor es menos frecuente y sobretodo apenas incrementa la accin (v O't) (fig. 2.10) . Por eso este caudal de cauce lleno se conoce tambin como caudal fonnativo, dominante o efectivo. Segn algunos autores* es un caudal que se da 2 veces al a.o como promedio o bien, segn otros, un caudal con un periodo de retorno de 1,4 aos. Para la hidrologa irregular de nuestro pas, se ha encontrado* mejor correspondencia con un periodo de retorno de 1,5 a 7 aos, ms cerca de la cifra ms alta cuanto mayor es la irregularidad hidrolgica (rea mediterrnea) (p.2.1). El caudal formativo sera el determinante de la geometra hidrulica.

2. 7 Papel morfolgico de la vegetacin

Hasta aqu podra parecer que las formas y dimensiones de los cauces fluviales son exclusivamente el resultado de la interaccin del agua con los materiales slidos del cauce. Pero ms modernamente se ha reconocido la importancia de un tercer factor: la vegetacin. El modo en que el agua se presenta es materia de la hidrologa; el modo en que se mueve el material slido es materia de la hidrulic~ fluvial; el lugar, tiempo y modo en que se presenta la vegetacin pertenece a una nueva esfera: la de los seres vivos.

El papel morfolgico de la vegetacin se explica por su accin directa sobre el suelo. Las races de las plantas fijan el material suelto, por ejemplo las arenas sueltas (como en la dunas litorales). Esta . accin de fijacin ocurre en lugares como las orillas del cauce principal, las barras en el interior del cauce o las llanuras de inundacin. Las secciones fluviales resultan de la interaccin del agua, los . slidos y la resistencia ofrecida por la vegetacin, tanto en el sentido de resistencia al flujo (rugosidad) como en el de resistencia frente al arrastre del material aluvial. El papel morfolgico de la vegetacin es lgicamente ms importante en los ros peque.os que en los grandes, porque la vegetacin no guarda proporcin con el tamao del ro.

La vegetacin se desarrolla en funcin de factores fsicos, climticos e hdricos. De estos ltimos, tres son destacables: la humedad en la zona de las races determinada por los niveles ordinarios del ro, la accin mecnica de las aguas altas y avenidas, y la calidad (o inversamente la contaminacin) del agua. Los cambios de estas condiciones hdricas llevan a alteraciones del desarrollo "normal" de las poblaciones, por ejemplo al marchitamiento de la vegetacin por un bajo nivel fretico, a su proliferacin por un alto nivel fretico, a la sustitucin de especies al perder calidad el agm o a una prdida de frecuencia del arrastre y arranque de plantas en crecidas. Estos cambios en la vegetacin repercuten en la forma y dimensin del cauc5>.

Una particularidad de la vegetacin es que las especies y sus poblaciones tienen unos ciclos vegetativos temporales, ligados a las estaciones. Por ello, no slo los cambios cuantitativos de estas

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

USERResaltado

1t - ----------- -------------- NOCIONES DE MORfOLOGfA FLUVIAL

variables hdricas afectan a la vegetacin sino que tambin la afectan los cambios temporales, por ejemplo cundo ocurre un nivel o un caudal determinado y cunto dura. La distribucin anual de caudales representada en la curva de caudales clasificados (fig.2. 1) puede presentarse en la realidad de muchos modos: segn un rgimen temporal "natural'' o bien segn regmenes alterados o incluso invertidos en el tiempo por obras de regulacin hidrolgica; si bien esta alteracin o inversin sera indiferente en cuanto al agua y a los slidos, con tal que las cantidades (los caudales) sean las mismas, no ocurre lo mismo respecto a las plantas ..

La vegetacin cumple otro papel al favorecer la sedimentacin de partculas transportadas por el agua y as acelerar los procesos de acrecin fluvial, por ejemplo en las llanuras de inundacin.

2.8 Caractersticas de los torrentes y las ramblas

Un torrente se diferencia de un ro por su morfologa, su hidrologa y su rgimen hidrulico. Morfolgicamente un torrente es el conjunto de tres partes (fig 2.11): una cuenca de recepcin con distintos afluentes y donde domina la erosin, un cauce de desage (torrente ya formado) donde lo dominante es el transporte del material slido, y un cono de deyeccin o abanico aluvial donde domina la sedimentacin. En la cuenca de recepcin los problemas son sobre todo ambientales (prdida de suelo, procesos de acarcavamiento, etc.), mientras en el cauce de desage y en el cono de deyeccin son ingenie riles (erosin del lecho y las orillas, aterramiento del cauce e inundacin, etc.).

cono de deyeccin

Fig. 2.11 Morfologfa de un torrente y un rfo torrencial (perspectiva).

Hidrolgicamente un torrente se diferencia de un ro por la velocidad de crecimiento del caudal (la pendiente del hidrograma), que es muy elevada. Hidrulicamente, la gran pendiente del torrente implica una gran capacidad de transporte slido. El suministro de los slidos gruesos transportados es irregular en el tiempo y localizado en el espacio (por ejemplo un desprendimiento hacia el cauce o el cono de deyeccin de otro torrente). Un torrente y un ro torrencial pueden experimentar avenidas torrenciales en las que el flujo se presenta como una pared o frente de onda, mezcla de agua y

33

34

INGENIEIA DE RfOS ------------------------------- 7t

slidos, muy destructiva (cf.3.16). Este fenmeno hidrulico es muy diferente de la avenida de un ro no torrencial.

Los tramos fluviales sobre conos de deyeccin o en piedemonte son particularmente inestables. Estas formaciones son planicies aluviales a modo de abanico, formadas por el depsito de los sedimentos a la salida de tramos de ro encajados. Como se da una "indiferencia" o "isotropa" con respecto a la posicin del cauce, este puede experimentar grandes cambios de posicin

1t ----------------- --------- NOCIONES DE MORFOLOOA FLUVIAL

dando as una multiplicidad de lugares altos y depresiones. Algunos de estos cauces pueden ser "activos" (es decir, con un transporte de agua cuando se ocupa la llanura), y son llamados a veces cauces de alta. A esto hay que aftadir que el ro recibe afluentes que se unen con l en la llanura.

--------~--------Fig. 2.12 Cauce colgado con dos albardones o motas naturales.

La llanura es una formacin sedimentaria cuaternaria. Sus suelos son muy variados debido al modo en que se han depositado los sedimentos. Fijando la atencin en los ros de llanura, existen en primer lugar los depsitos de material muy fino (arcilla) en los lugares de menor velocidad, lejos del cauce principal. En efecto, en las llanuras el proceso dominante es la sedimentacin; la cota de la llanura tiende a crecer y esta clase de crecimiento se llama acrecin vertical (fig. 2.13). Una avenida puede dejar un buen grosor de material fmo sobre la llanura. En segundo lugar, existen los depsitos de acrecin lateral (fig. 2.13) que tienen su origen en el crecimiento de las barras en las partes interiores de las curvas. Dada la longitud y anchura del corredor fluvia13) , que puede ser barrido por los meandros en su evolucin (fig. 2.3), estos depsitos pueden ocupar grandes extensiones. Entonces, en el fondo de un sondeo se encuentran materiales ms gruesos y ms fmos hacia la superficie, de acuerdo con su formacin.

ocrecin vertical ocrecin lateral

material muy fino ~ Fig. 2.13 Depsitos de acrecin vertical y lateral en una llanura de inundacin.

La orilla exterior puede ser excavada por el ro en todo tipo de depsito, pero probablemente con parte de acrecin vertical, que le da un comportamiento algo cohesivo. Otros depsitos gruesos son los cordones naturales, que crecen con los pequeos desbordamientos, por sedimentacin de partculas gruesas, y los cauces abandonados.

2.10 Morfologas de desembocadura: deltas y estuarios

En la desembocadura de un ro en el mar se producen dos morfologas caractersticas: el delta y el estuario. El delta es una formacin sedimentaria activa "mar adentro", que puede crecer a ritmos muy elevados e ingenierilmente significativos como 100 m al afio (cf.4.3) . En la llanura del delta, extremadamente llana, se deposita mucho sedimento en las crecidas. El cauce del ro en el delta es meandriforme y extraordinariamente dinmico dada la escasa resistencia de los terrenos aluviales a la erosin. Mas an, en los deltas los ros se bifurcan en distintos brazos y forman sistemas trenzados de cauces mltiples, a veces muy complejos y esencialmente inestables. Por ejemplo, los cauces (que se pueden llamar emisarios) transportan una fraccin del caudal total que fcilmente

35

36

INGENIERIA DERIOS ------------------------------ 1t

vara con el tiempo. La razn es, como en el caso de los abanicos torrenciales, la "isotropia" gemetrica del delta. Algunas llanuras de inundacin grandes lejos del mar se llaman deltas interiores

1t -------------------------- NOCIONES DE MORFOLOGA FLUVIAL

estratificacin y mezcla es que el cociente adimensional v 1 [ {p '-p )/ p) g y] tn llamado nmero de Froude densimtrico sea igual a la unidad (v, y: velocidad y calado, p, p 'densidades del agua dulce y salada).

2.11 Equilibrio del fondo

Adems de la planta y las secciones de un ro, hemos de fijarnos en su perfil de fondo (o perfil longitudinal). Para estudiar el perfil es preciso adoptar una escala lo bastante grande (una distancia grande) para que tenga sentido hablar de la pendiente del ro: slo as las variaciones de cota del fondo de escala pequea (formas de fondo, cf.3.8) o mediana (cf.3.9) dejan de ser relevantes. Entonces, decimos que el fondo de un ro se .encuentra en equilibrio en presencia de transporte de sedimentos cuando no sufre modificacin en su perfll.

Este equilibrio, as defmido como un efecto, proviene lgicamente de un equilibrio entre las acciones. Podra pensarse en un conjunto de variables que estaran interviniendo en el equilibrio, conjunto que sera ciertamente muy numeroso. Con un propsito slo cualitativo, Lane (1955) propuso tener en cuenta 4 variables: el caudal lquido {q, caudal unitario), el caudal slido (q , caudal slido unitario que se mueve por el fondo, cf.3. 12), la pendiente (i) y el tamao del sedimento (D), y las dispuso en la analoga de la balanza (fig. 2.15). El desplazamiento del fiel de la balanza por peso en exceso (los caudales) o por un brazo en exceso (la pendiente y el tamao)maica sobre el limbo una erosin (descenso del fondo) o una acrecin (ascenso del fondo), segn sea en uno u otro sentido. La analoga de la balanza es una herramienta muy til para analizar el desequilibrio de un ro, en particular por causa de una intervencin humana, como se ver repetidamente a lo largo de este libro.

q

Fig. 2.15 Analoga de la balanza de Lane [8].

Tambin podemos considerar la pendiente del ro como la variable que consigue restablecer un equilibrio perdido. Esto tiene sentido fsico, ms all de la analoga de la balanza, _;Pues un desequilibrio puede causar erosin y sta desarrollarse en el sentido de disminuir la pendiente si se mantiene un punto fijo en el fondo aguas abajo. A la inversa, un desequilibrio de acrecin puede desarrollarse en el sentido de aumentar la pendiente con la misma condicin aguas abajo. Vemos

37

INGENIERfA DE ROS ------------------------------ 1t

que esto da una explicacin a los basculamientos o cambios de pendiente del fondo de un ro (fig. 2.16). La analoga de la balanza ofrece una explicacin al reajuste que experimenta un ro para alcanzar un nuevo equilibrio. Un ejemplo destacado de erosin y basculamiento es el efecto de la construccin de una presa (e f. 3. 15).

(2)

;{!~ Fig. 2.16 Basculamiento del fondo con erosin (1) y con sedimentacin (2).

Los caudales lquido y slido en un ro pueden estar equilibrados o no equilibrados. En el segundo caso, una corriente puede llevar un exceso de slidos ("sobrealimentacin") o ~ defecto {"subalimentacin") lo que producir acrecin o erosin respectivamente. Asimismo, de la analoga podemos extraer el concepto de pendiente de equilibrio, que se defme como aquella que equilibra unos caudales slido y lquido determinados. Por ejemplo, muchos slidos y poca agua se equilibran formando una gran pendiente y viceversa. El equilibrio depende ~bin del tamao del matrial: los mismos caudales lquido y slido, pero con partculas ms gruesas, se equilibran con una pendiente mayor y viceversa.

38 El momento del brazo derecho de la balanza q i representa la potencia de la corriente (W) por unidad de peso, de longitud y de anchura. Las variables D y qs, que tenan un papel "intercambiable" en la geometra hidrulica, aparecen en el brazo izquierdo. El cociente i/D entre los brazos de la balanza es indicador de su sensibilidad. Los cambios de caudal, considerados como causa del desequilibrio, producen efectos muy intensos si i/D es grande (ro muy sensible. es decir inestable) y, al contrario, efectos de poca intensidad si i/D es pequefio (ro insensible o estable), como se ve intuitivamente en la fig. 2.15. Anlogamente, el restablecimiento del equilibrio implica gran cambio de pendiente en el primer caso y pequeo en el segundo. Una versin cuantitativa de la balanza de Lane se explica ms adelante (cf.3.12.2).

Hagamos una aplicacin de la analoga de la balanza a la relacin B/y de la geometra hidrulica ( cf 2.5). Esta relacin se ve influida por la resistencia de las orillas a la erosin. Un ensanchamiento del cauce a costa de las orillas, cuando stas tienen baja resistencia, implica una reduccin del caudal unitario al tiempo que se pone en juego ms material slido. Como consecuencia se produce una acrecin del fondo, que se reequilibrar con una pendiente mayor (fig. 2.17), y una oportunidad para desarrollar una morfologa trenzada.

-:-~~~-.~ --

1 - 1

1

8'

_ ____. ...... ...r . . ~ f ;~ 1 1 1

' i Fig. 2.17 Relacin entre anchura y pendiente. Planta y perfil longitudinal.

1t --------------------------- NOCIONES DE MORFOLOGA FLUVIAL

2.12 Leyes de Fargue

El ingeniero francs O.Fargue (1827-1910) present en 1908 los resultados de sus observaciones sobre el ro Garona. Sus conclusiones empricas son conocidas como leyes de Fargu10>. Son una aproximacin ms detallada a la morfologa de un meandro cuyo inters se encontrar en sus aplicaciones a encauzamientos (cf.4).

La observacin principal de Fargue es, en sntesis, que existe una relacin entre la curvatura en planta del cauce y la pendiente local del fondo del ro. Esta idea liga, por as decirlo, el grado de libertad horizontal (planta) con el grado de libertad vertical (perfil). Las leyes de Fargue son ms ciertas en la medida en que no haya restriccin o condicionamiento a la dinmica fluvial y en la medida en que la accin modeladora del caudal sea duradera. El contexto de las leyes de Fargue es por tanto el de los grandes ros.

lcl

y

c=-0

y=O s- O x=O

y

1 s=l/2

1 s=Jl/4

---

s= l

y(s)

X

X

)llooo X

-~------r------r------r---~~-szL/4 s=L/2 s3l/4 s= L x=>./4 x=>./2 x=J>./4 x A

Fig. 2.18 Planta y perfil de un tramo sinuoso y grfica de las funciones de curvatura y calado.

39

40

INGENIERfA DE RfOS --------------------------- --- 1t

Las leyes de Fargue desarrollan las caractersticas geomtricas de los meandros. Designando como eje de un cauce (coordenadas) el punto medio del segmento perpendicular a las tangentes comunes a las orillas, Fargue observ la correspondencia, con un desfase corno mximo igual a 'A./8 (donde 'A. es la longitud de onda), entre la curvatura del eje (en valor absoluto) y el calado de agua por el thalweg (lnea de puntos ms hondos). Las dos funciones, curvatura c(s) y calado y(s), son aproximadamente sinusoidales. Una funcin seno con argumento (47tS)/l puede servir para ambas funciones. A partir del grfico de y(s) puede construirse el fondo del ro por el thalweg (fig.2.18), el cual muestra que las regiones hondas situadas en las partes cncavas o externas de las curvas (pozos, hoyas) van seguidas por regiones someras situadas en la inflexin de las curvas (vados). Ms exactamente, estos fondos consecutivamente profundos y someros se dan ligeramente aguas abajo de los lugares de curvatura mxima y de curvatura nula.

La expresin ms formalizada que puede proponerse para las leyes de Fargue es

de =k dy ds ds (1)

y se puede enunciar as: la pendiente local del fondo del thalweg (dy/ds) es proporcional (constante k) a la variacin de la curvatura del eje (dc/ds). Se supone que la superficie es prcticamente horizontal o bien tiene una pendiente mucho menor que la pendiente local del fondo (fig.2.18). Esta expresin resume varias observaciones o "leyes" empricas de Fargue, como son:

El pozo en la parte cncava de una curva es ms profundo cuanto mayor es la curvatura mxima de la curva.

Un cambio brusco de curvatura ocasiona un cambio brusco de profundidak Un cambio de curvatura gradual da un perfil de fondo continuo.

A igualdad de longitud s la profundidad media en un tramo es mayor a mayor ngulo entre las tangentes a la entrada y salida del tramo (fig. 2.19), es decir, a mayor curvatura media en el tramo.

1 1 1 1

L. _j --....__,__:::-_.,.-::."""-:."""1"::'e --

1 1

1

\ \ \

Fig. 2.19 Comparacin entre dos curvas de igual longitud pero diferente curvatura media.

La expresin anterior ( l) y unos criterios sobre k aparecern en el captub 5 a propsito del clculo de erosiones en curva.

1t ---------------- ---------- NOCIONES DE MORFOLOGA FLUVIAL

2.13 La corriente del ro

La direccin d~ la velocidad del agua en un ro no es paralela a los contornos (las orillas), como se podra suponer en primera instancia, sino que presenta desviaciones. Leliavsky lo demostr* en el ro Dniper en 1894 por medio de una veleta desde una barca, para refutar a la escuelaparalelista. Por otro lado, el mdulo de la velocidad no es uniforme a travs de una seccin, sino que en general el agua corre ms por las partes ms hondas. Estas caractersticas de la corriente son muy importantes en los cambios fluviales y para las obras de ingeniera.

El thalweg, como lnea mas honda, seala la corriente ms veloz del ro. Pero la direccin dominante de la corriente depende del caudal circulante. En la geometra fluvial de un cauce principal sinuoso, un caudal menor (Ql) dar lugar a una corriente de mayor curvatura en la curva (fig. 2.20) as como convergente hacia la curva y divergente a la salida de la curva. Estas caractersticas se pueden deducir de las secciones transversales "ideales" recorridas por distintos caudales menores que el caudal que llena el cauce (caudal dominante). La desviacin de la velocidad respecto al contorno ocurre en todas partes, pero es mayor en los puntos de inflexin (por ej. de 300). El flujo covergente hacia la curva implica una concentracin de caudal (aumento del caudal unitario por reduccin de anchura) y por ello una erosin del fondo, mientras el flujo divergente desde la curva implica una expansin del caudal (disminucin del caudal unitario por aumento de anchura) y por ello una acrecin del fondo. Estrechamientos (convergencia de la corriente) y ensanchamientos (divergencia) estn ligados as a las curvas de los ros.

\ )o dominanle ~ o ~ \ 1

Fig.2.20 Convergencia y divergencia de la corriente fluvial respecto a las orillas del ro.

Cuando el caudal aumenta hasta llenar el cauce, en las crecidas que podemos llamar anuales, al ~ que la superficie libre sube, la corriente erosiona el fondo en las hoyas, que descienden, y deposita en los vados, que ascienden. Ambos movimientos son menores que la fluctuacin de la s.perficie libre, pero de todos modos importantes (fig.2.21, pell). Una explicacin de estos.hechos la da la pendiente motriz I, es decir la energa gastada en el movimiento por unidad de longitud. La pmdiente 1 de las aguas altas es mayor que la de las hoyas en aguas bajas (h), o sea hay una ~ia a erosionar sus fondos, pero puede ser menor.que la pendiente en los vados en aguas bajas (L). es decir hay una tendencia a depositar en ellos. Los fondos vuelven a su estado anterior, JlfiOXimadamente, al descender el nivel. Asimismo, en la crecida la corriente "se endereza", es *Dr. es menos sinuosa gracias a que se sumergen primero y se erosionan luego las "playas" o

41

42

INGENIERA DEJOS ------------------------------ 1t

barras laterales en las partes convexas de las curvas (fig. 2.21, planta), las cuales se reponen al descender el nivel. Puede hacerse una analoga entre la intensidad de la corriente (el caudal) y la tensin de traccin de una cuerda o un cable.

Sin embargo, los efectos no se compensan* perfectamente entre el ascenso y el descenso del caudal y fmalmente, tras la avenida, el thalweg puede haber sufrido una evolucin, en progresin y en profundizacin, y de manera paralela las playas pueden haber crecido hacia abajo y hacia adentro y las orillas haber retrocedido. Estos movimientos del thalweg son los mismos del meandro en la explicacion general (cf.2.4). Una razn de la falta de compensacin entre las dos fases de la avenida es que casi siempre el descenso del hidrograma dura ms que el ascenso (cf.2.3). Con el caudal todava bastante alto, pero descendiendo, la corriente, ya ms curvada, tiene tiempo de moldear un thalweg ms profundo y erosionar la orilla exterior. Los lugares ms hondos, ligeramente aguas abajo de los puntos de mxima curvatura segn Fargue, son los ms sensibles.

B

3 \ r--\

* .':ti:

1

~.J.-e 1

\ "'" ..............

2

........ _ .. ~,,,"' -

2 A:

B'

f~ w: ~ ~7 2 ?'

7

1

Fig. 2.21 Cambios en un tramo sinuoso de un ro durante el ascenso y descenso de las aguas, tanto en planta como en peifil como en la seccin transversal.

1t -------------------------- NOCIONES DE MORFOLOGA FLUVIAL

Cuando la crecida produce el desbordamiento del ro, el caudal desbordado se apresta a seguir la direccin del valle, independientemente del cauce principal. Sin embargo, la corriente mayor puede seguir estando sobre dicho cauce ms hondo. En todo caso dicho cauce puede condicionar o desviar ms o menos la direccin del agua desbordada. Los cambios en el cauce principal pueden ser ms intensos, tambin bruscos, cuando el ro est desbordado pero tambin pueden ocurrir cuando las aguas vuelven a su cauce (cf.4.4).

Las corrientes son masas en movimiento con una inercia al cambio de direccin. El contorno opone una fuerza exterior que produce dicho cambio. En ocasiones es visible un efecto de reflexin o rebote de una corriente en una orilla (c.2.18). El efecto es mayor cuanto mayor es la velocidad. Adems, a mayor ngulo de incidencia, mayor ngulo de reflexin, es decir podra hacerse la analoga con el rebote de un objeto o con la reflexin en ptica. En regimen rapido (Fr > .1) los cambios de direccin de los contornos producen ondas permanentes, como resaltos laterales. El flujo en curva presenta otras caractersticas que se tratarn en el captulo siguiente ( cf. 3 .17).

2.14 Descripcin del ecosistema fluvial

En la descripcin de los ros no puede faltar la consideracin de su valor ecolgico. Los ros, en estado natural, son ecosistemas complejos y singulares, que merecen una proteccin y conservacin. Cabe destacar tres aspectos principales del medio fluvial:

En primer lugar el cauce de las aguas continuas o permanentes alberga una flora y una fauna acuticas. Su valor depende de su diversidad biolgica y sta es funcin de la diversidad fsica. As, hay diversos hbitats para distintas especies cuando, por ejemplo, en unos lugares hay sol y en otros sombra, en unos el fondo es de gravas y en otro de barro, se suceden las pozas de aguas calmas y los rpidos (tal como ocurre, por ejemplo, en la sucesin de meandros), hay islas o barras o bolos emergidos e intersticios sumergidos, hay zonas de mayor y menor velocidad, etc.

En segundo lugar hay que destacar el llano o llanura de inundacin (cuando existe), cuyo valor para sustentar un comunidad biolgica singular como zona hmeda depende de la frecuencia de la inundacin y de su duracin, del nivel fretico y de la diversidad fsica de la llanura: depresiones, meandros abandonados, crestas, suelos de distinto tipo. La inundacin que aporta agua, sedimento y nutrientes es importante para la vida del llano02>. Las aguas someras, bien oxigenadas y donde puede penetrar la luz son muy "productivas" biolgicamente. Cuando ocupan la llanura, por ejemplo una vez al afio, especialmente en primavera, son como el impulso anual a la vida e.n la llanura. Es curi.oso sealar que hasta hace solamente un par de generaciones la apreciacin pblica de estas

zo~.}~medas era inversa por culpa del paludismo. Cabe recordar que el tercer mundo sigue azotado por esta enfermedad.

En tercer lugar el bosque de ribera, si no ha sido degradado por la agricultura o el pastoreo, constituye un ecosistema de gran valor biolgico. Aparte de la vegetacin acutica, sumergida o semisumergida, el bosque est constituido por un estrato arbreo de especies caducifolias como sauces, chopos, fresnos, lamos y olmos ms o menos prximos al agua segn su necesidad hidrica, un estrato arbustivo en los claros o bordes del bosque (por ejemplo zarzales) y un estrato herbceo. E bosque de ribera controla la llegada de energa al sistema acutico mediante la sombra y los detritus vegetales. Acta a modo de flltro7 pues retiene las partculas en suspensin de las aguas de

43

44

INGENIER1A DERIOS ------------------------------ 1t

escorrenta y capta nutrientes de las aguas subterrneas que afluyen al ro. Con ello mantiene las aguas ms limpias. Tambin cumple una funcin de estabilizacin de las orillas mediante las races. Es muy dinmico pues puede resultar destruido por una avenida pero rehacerse rpidamente. El bosque puede albergar gran riqueza ornitolgica, tambin en combinacin con humedales. En la Espaa hme!ia el bosque de ribera no se distingue del bosque en general. S, en cambio, se distingue en la Espaa seca. donde constituye una penetracin de especies de una regin climtica hmeda, lo que da su singularidad y belleza a los sotos alrededor de los ros. En las ramblas efmeras mediterrneas no hay bosque de ribera por su funcionamiento espordico: la vegetacin es la misma del medio circundante, quiz un poco ms espesa o crecida. Pero, incluso en estos medios, especies como las adelfas dan un carcter singular al medio fluvial.

1t ---- ---------------------- NOClONES DE MORFOLOGA FLUVIAL

Cuestiones

2.1 Cul ser la relacin emprica geomtrica ms plausible entre el c.alado y el caudal (es decir qu valor de a. en y~Qa) de una corriente natural si se acepta la frmula de Manning? Y con la frmula de Chzy, en la que v ~ y 112? Por cunto habra de multiplicarse el caudal para duplicar el calado?

2.2 En la figura se muestran los cauces principales del ro Tumbes (Per) anterior (1984) y posterior (1998) a la crecida de 1998. La primera longitud de onda del cauce de 1984 se puede considerar no alterada por el puente. Describir, por medio de la evolucin de meandros, la transformacin que sufri el cauce. Hubo estrangulamiento? Analizar los valores de A./B y a/B. Determinar el valor mnimo de r/B en el meandro alterado de 1984, si r es el radio de curvatura del cauce (trazar un crculo tangente).

2.3 Justificar que el criterio de distincin entre cauces trenzados y meandriformes se puede expresar aproximadamente mediante W > o < 0.0116, donde W es la potencia de la corriente por unidad de peso, de longitud y de anchura.

2.4 Otro critrerio de clasificacin morfolgica* de ros se basa en la sinuosidad (s) como funcin del producto de la tensin tangencial sobre el fondo por la velocidad media (-e x v), segn el diagrama cualitativo adjunto. Relacionar este criterio con el del texto y con el de la cuestin anterior (usar la expresin de la tensin: t = yyi, cf.3.3). Qu aporta este criterio de nuevo respecto a los anteriores?

45

46

INGENIElA DE RfOS ------------------------------- 1t

Recto Transicin T d t.leandriforme " ., renzo o 1 1 S ' 1 1 1 1

Txv

2.5 Los caudales de avenida para distintos periodos de retorno de un ro se pueden expresar aproximadamente como Qr (m3/s)=25T (aos)0.3. Deducir el tamao aproximado del ro, si en estado natural es meandriforme. Determinar concretamente su anchura usando B(m)=s'-'Q (m3/s) y su longitud de onda (cf.5.7).

2.6 En un ro en equilibrio.se construye una presa (cf.3.15). Estudiar con la balanza de Lane en qu sentido se produce el desequilibrio y analizar cmo puede establecerse un nuevo equilibrio teniendo en cuenta los dos fenmenos siguientes:

basculamiento del perfil, acorazamiento del fondo (cf.3.4).

2. 7 Estudiar en un ro en equilibrio el efecto que tendra

una aportacin extraordinaria de sedimento grueso desde un afluente torrencial, la deforestacin de la cuenca seguida de problemas de prdida de suelo, la subida del nivel del mar, la toma de agua para un aprovechamiento (por ejemplo un regado).

2.8 Un ro aluvial desemboca en otro ro aluvial que est sufriendo un desequilibrio erosivo, porque se ha construido una presa en l, aguas arriba de la confluencia de los dos ros. Cul es el efecto sobre el afluente? Podra tener este efecto repercusin sobre el ro principal?

2.9 En los trasvases de agua entre ros, se toma cierto caudal de uno para entregrselo a otro. Se suele exigir que el agua tenga la mnima cantidad posible de slidos para evitar abrasin en las instalaciones hidralicas (por ejemplo una bomba). Pensando en dos ros de cuencas comparables, cul sera el efecto morfolgico de un trasvase, en uno y otro ro?

2.10 Aprovechando el meandro muy pronunciado de un ro y el desnivel consiguiente (figura), se construye un salto hidroelctrico. Analizar los efectos morfolgicos en el meandro (as como aguas arriba y abajo) incluido el caso de que las orillas sean blandas. Valorar la magnitud de los efectos si el salto torna un 5, un 25 o un 75 % del caudal medio del ro.

1t -------------------------- NOCIONES DE MORFOLOG(A FLUVIAL

2.11 Atendiendo a las caractersticas de las ramblas (en particular, la permeabilidad y el transporte slido) analizar los efectos de encauzar una rambla con una seccin toda ella de hormign.

2.12* En la avenida de 1993 el ro Misuri (2) estuvo a punto de crear una corta natural (flechas) en su desembocadura en el Misisip (1)~ corta por donde lleg a circular la mitad de su caudal. Analizar los efectos que esta corta natural habra tenido sobre los tramai 1 y 2. En el mismo Misisip, en Memphis, se cerr el brazo a de la isla, por donde circulaba como mximo un 30 % del caudal, para formar la darsena del puerto fluvial. Analiza los efectos de esta obra en cuanto a erosin, sedimentacin y nivel de inundacin.

2.13 Una sntesis entre geometra hidrulica (cf.2.5) y equilibrio del fondo (cf.2.11) son las relaciones cualitativas siguientes: Q ~ By A. 1 i , Qs ~ BA.i 1 ys , debidas a Schumrn (1977)*. Probar que entre todas las proporcionalidades de estas expresiones la nica relacin nueva respecto a los apartados 2.5 y 2.11 es Qs ~ A. (razonar usando By -rea- y B/y -relacin de forma- como variables).

2.14 La rotura de un~ presa de residuos mineros crea en un ro una avenida que deposita sedimento contaminado en el cauce principal y las llanuras de inundacin. A continuacin se realiza una limpieza muy activa que deja provisionalmente descarnado y sin vegetacin el cauce, las orillas y las llanuras (caso del ro Guadiamar tras la rotura de la presa de Aznalcllar en 1998). Analizar el efecto morfolgico sobre el ro si no se pusiera remedio rpidamente a esta ltima situacin.

2.15 Como introduccin al captulo 4, estudiar el efecto que tendra sobre el equilibrio de un tramo de ro

un encauzamiento que acortara .la longitud del cauce entre dos puntos, por ejemplo atajando un meandro,

un encauzamiento que estrechara el cauce.

47

48

INOENlERlA DE ROS ----------- -------------- ----- 1t

2 .16 Un problema de los saltos hidroelctricos de derivacin es el reintegro del agua al ro, en particular el riesgo de que la salida quede bloqueada por sedimentacin. Cul de las tres salidas A, B oC, sera preferible a este respecto? Podra ganarse salto bruto?

2.17* La expresin diferencial propuesta por Fargue fue en realidad dc/ds=kl dy/ds + k2 (dy/ds)3 donde k2 es un orden de magnitud menor que ki. Analizar esta ecuacin y justificar el efecto del segundo sumando en la relacin curvatura de la planta- pendiente local del fondo.

2.18* En un gran ro de llanura se construy un muelle auxiliar del muelle principal del puerto fluvial. Los calados en el muelle principal decrecieron gravemente, comprometiendo la operacin del puerto, al tiempo que el brazo menor del ro ganaba en importancia (caso del ro Magdalena en Barrancabermeja, Colombia). Razonar cul es la responsabilidad del muelle auxiliar en el problema y qu medidas se podran tomar para contrarrestarlo.

Muelle auxiliar

Muelle principal

ill* En la figura se muestra el cauce (1) y la orilla (2) del ro Piura (Per) antes de comenzar un proceso grave de erosin de orilla (2~3) que en las crecidas de 1998 dej las orillas en la posicin que se indica, con el nuevo cauce principal prximo a ellas (Qo se dibuja). La nica orilla inmvil desde el principio es A-B, donde se encuentran depsitos duros. Dar una explicacin del proceso hasta 1998 inclusive y de cul sea su probable continuacin.

l Km

------

---~. ' 9B

...

'2

a --------------- ---------- NOCIONES DE MORFOLOGA FLUVIAL

Problemas

2..1 Los caudales diarios mximos del ro Bess en Sta. Coloma de Gramanet en los aos U..wendidos entre 1968-69 y 1989-90 en rrr/s fueron:

118 34

40 8

107 121

145 30

7 97

51 10

63 13

46 13

70 36

30 140

98 32

t. aodales medios clasificados ms representativos en el mismo periodo son (m/s) (Q es un cwrtal igualado o superado i das del ao medio):

Q=59.5 Q30=7.1 Qso=2.8

(22=34.2 Q60=5.4 Q11o= 1.7

QJ = 24.6 Q9o=4.0 Q330= 1.1

& la misma zona, el ro tiene una seccin (artificial) como la de la figura (escala grfica a la *c:dda), donde se ha formado naturalmente el pequeo cauce principal que se dibuja. La pendiente 49 .alia en la zona es 0,4% y el tamao Dso=20mm {el tamao medio es Dm=41mm y Ds4=52,5

---

D ; minar si el caudal de desbordamiento del cauce principal se corresponde con el caudal ' - pote. Indicar cul es la tendencia morfolgica del cauce (trenzado o meandriforme).

-...:se pueden determinar los periodos de retomo T con la distribucin de Weibull T=(n+ 1)/m, ~ n es el nmero de aos y m el nmero de orden del dato en la serie ordenada de mayor a

~ Estudiar la variacin de calados en el thalweg en funcin de la curvatura del eje para la curva *1 ro Ebro dada en el plano, situada entre Tortosa y Ase. Dibujar en un grfico con la misma ' iA s las funciones c(s) e y(s). Estudiar la aplicabilidad de las leyes de Fargue. Igualmente para

arn del ro Misisip de la figura (Hotchkiss Bend)

so

INGEN~ADER~S ---------------------------------------------------------------------------------- 1t

Monto/lo 1.

10

ll.s=rll9 e=__ . r

Se recomienda determinar grficamente la curvatura discretizando la lnea media en segmentos de longitud ~s 1 trazando las tangentes y calculando e = 69/ s . A continuacin pueden compararse los valores de ~e con los de v v aiustar una relacin entre ellos .

....

J ..

........

IS LAN O NO 10

..

' - /F '",/

A-1,

/

/ /

/

---

............ ..,. .......... ,,,,, .. ...... .......... -.... , .. . ....... .... .... ... ... . v,. ... ,,,.1' .... t ...... , . . ...... .... . 1104-.U I If'! ' l,.,, .,. , ...... ............

--

rLAT8 17 11414tllliN Dm J, AIv h., .urrer 1 A:tllf'l l4, Jl31.

-----~ -- z .u'

~.~---e K Y ------

-------------------------- NOCIONES DE MORfOL(X;IAFWVlAL

Notas

(1) En castellano pueden llamarse tambin cauces entrelazados. El trmino ingls braided river se utiliza mucho. La anastomosis es la interconexin de vasos o nervios. Ejemplos reales de cauces trenzados se dibujan en p.4.7 (pequeo ro de montaa) y en c.7.3 (gran ro de llanura).

(2) Los ensayos ms conocidos de esta clase se deben a Friedkin en 1945 en Vicksburg (Miss. EE.UU .). Esta explicacin es una de las teoras sobre el origen de los meandros, cuestin sin resolver . Albert Einstein (el fsico) intervino en el debate en 1926: vase Mis ideas y opiniones, A. Bosh ed, Barcelona 1980, pp.222-226. Se han observado tambin meandros en corrientes de deshielo c:ocajadas en glaciares, sin sedimento alguno. La palabra meandro proviene del griego maiandros IIOillbre de un ro de Anatolia (Turqua), el ro Menderes.

(3) El movimiento de los meandros en la llanura permite a veces definir una franja que contiene todos los cauces anteriores del ro, franja conocida como cinturn de meandros. Esta franja de total movilidad se asocia tambin al corredor fluvial, concepto ms bien ecolgico. El bajo Misisip, de ma gran actividad mendrica, tiene un cinturn del orden de 20 km de anchura (en una llanura de immdacin de 50 a 125 km). Desde el siglo XVIII hasta 1929 la longitud de cauce abandonado DatU.ralmente por estrangulamientos fue de 600 km, longitud compensada en el mismo plazo por la profundizacin de otros meandros (en otros ros se han registrado movimientos superiores a 50 miao). En un gran ro aluvial de llanura y escasa pendiente como ste, es destacable que haya ansas geolgicas (fallas activas y movimientos epirognicos) que expliquen algunos cambios fluviales. Para este y otros casos ver Schumm, S y Winkley, B., The variability of large alluvial mers, ASCE, New York 1994. En Espaa, ver Ollero, A., El curso medio del Ebro, Publ. Consejo. Proteccin de la Naturaleza de Aragn. Los brazos abandonados por el ro se llaman plachos (Aragn, Catalua) madreviejas, caos y lucios.

(4) Aportaciones masivas de material que pueden transformar un ro en trenzado se han descrito a propsito de erupciones volcnicas (Bradley, J. en River Meandering, ASCE 1983, pp.89-100) y minera (Mount, J ., California rivers and streams, University of California Press, Berkeley, 1995). (5) Un cauce principal pas de 30 a 300 m de anchura al perderse la vegetacin natural por descenso ele los niveles freticos, descenso causado por la extraccin de agua subterrnea para abastecimiento en California. Este y otros ejemplos sobre el papel morfolgico de la vegetacin se describen en el cap.11 de Brookes, A. Shields, F. ,River channel restoration, John Wiley and Sons, Chichester, 1996.

(6) Un caso extraordinario es el ro Kosi, cuya cuenca se extiende por el Tbet y el Nepal, forma un yan abanico aluvial al salir a la llanura y desemboca en el ro Ganges (India). Se ha desplazado 112 km hacia el oeste en 246 aos, de manera ininterrumpida, en un proceso continuo de sedimentacin del cauce y erosin de orillas. debido a su gran transporte slido. Esto ha acarreado enormes

51

52

INGENIERIA PE ROS -.,..------------------------------ 1t

problemas sociales en una regin superpoblada. Ver Symposium on river sedimentation, New Delhi 1995, pp.1121-1130.

A-60.000 km2

P=1450 mm/olla

--TIBET

NEPAL

120km ~

(7) Un caso documentado es la riera de Las Arenas (Barcelona), con pendiente del 3%. Fluye de promedio slo dos veces al ao. En una de tales ocasiones ( 10/X/94), en el punto donde la cuenca tributaria es de 30 :knil, creci de O a 100 m3/s en menos de una hora. Sin embargo, hasta llegar a ese punto ya se haba perdido, a lo largo de los 15 km de cauce de rambla aguas arriba, un 70 % del caudal punta de la crecida. Ver Jl of Hydrology, 1999, 225/3-4, pp.118-129. Ver tambin p. 3.1 y p.3.4. Para el levante y sudeste espaol, ver C. Conesa en River morphology, (E.J. Hickin ed.), J.Wiley, New York 1995 y F. Segura, Las ramblas valencianas, Dept. Geografa, Universidad de Valencia. La cifra del 5 % del caudal por kilmetro es un valor medio en ramblas de Arizona.

(8) Los cambios de morfologa de una rambla (nuevos cauces, etc.} se encuentran muy documentados en el caso extremo de una avenida en octubre de 1983 en los rios Santa Cruz y Rillito en Tucson (Arizona, EE.UU.). Ver Flood Geomorjology por V.R.Baker et al., John Wiley and Sons, Nueva York 1988.

(9) El ro Misisip pasa por Nueva Orleans y forma un extenso delta. Aguas arriba de la ciudad existe un emisario (el ro Atchafalaya) que nace cerca de la desembocadura de su afluente Red River y llega al mar con un recorrido mucho ms corto. En 1900 el emisario transportaba un 12 % del caudal total, en 1940 un 20 % y en 1950 un 30 % (con lo que lleg a cambiar el sentido de circulacin del Old River). Con esta progresin se tema la completa captura del Misisip por el Atchafalaya entre 1965 y 1975, lo que hubiera convertido en estuario salado el ro que baaba Nueva Orleans, alterando por completo su economa (transporte de mercancas, abastecimiento de agua y saneamiento, etc.}. Para frenar el proceso se construy una obra de control del caudal derivado por el Old River concluida en 1963. Ver J. McPhee, The control of nature, The noonday press, New York 1989.

GOLFO DE t.ltJICO

' , 1

% ---------.,....----------------- NOOONES DE MORFOLOGA FLUVIAL

(10) Este apartado se inspira en Trait d'hydraulique fluviale applique por B.Quesnel, Eyrolles, Pars, sin fecha. Tambin puede seguirse en [7].

(11) Como introduccin a estas cuestiones puede consultarse Stream Hydrology. An introduction for Ecologists por N.D. Gordon et al., John Wiley and Sons, Chichester 1992.

(12) Las llanuras de inundacin de muchos grandes ros europeos (como el Rin, cf.4.3) han ido desapareciendo por accin del hombre en los siglos XIX y XX. El llamado delta interior del Danubio mtre Bratislava y Budapest es una de las ltimas grandes zonas hmedas de este origen. En un proceso lento e inadvertido de degradacin, su destino ha sido alterado en los aos 80 y 90 por la oonstruccin de los saltos hidroelctricos Gabcikovo-Nagymaros, un proyecto con dificultades de IOdo tipo, que ha llevado a Hungra y Eslovaquia al borde de la guerra, pero que quiz conseguir oonservar artifiCialmente la ecologa de la zona. Sobre este apasionante caso ver Water Power and Dam Construction, julio 1993 pp.34-37.

4km

--

alimentaci6n artificial

53