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En esta página se describen los principios que se aplican a la modelación unidimensional de los sistemas de control de anegamientos en campos bajos. Es necesario aclara que ninguno de los ejemplos mostrados corresponden a algún caso específic, sino que se han elegido con la finalidad de graficar los conceptos en forma informativa.

Diseño hidrológico y estructural

Modelos hidrológicos e hidráulicos

Un modelo es una representación simplificada de un sistema real usualmente muy complejo que nos permite predecir el comportamiento de un sistema hidrológico.

Existen varios tipos de modelos cuya clasificación no corresponde en este texto. Sin embargo, el buen juicio del ingeniero es saber detectar cual es el modelo que aplica a cada situación. Es igual de importante disponer de la información necesaria para que ese modela funcione correctamente.

En el diseño de estructuras para el manejo modular se requieren modelos para los siguientes usos:

• Calcular el período de retorno de la tormenta o los caudales de diseño del sistema (Modelos estadísticos)
• Calcular los volúmenes y caudales que llegan aguas arriba de las obras modulares (Modelos hidrológicos)
• Calcular las dimensiones de cada estructura en particular (Modelos hidrológicos e/o hidráulicos)

Modelos hidrológicos

Un modelo hidrológico es una representación física o matemática confiable de los procesos hidrológicos reales que ocurren en una cuenca cuyo objeto es cuantificar los caudales entrantes a un área específica, provenientes desde sectores localizados topográficamente en áreas más altas en tiempo y en forma que ellos ocurren.

Un hidrograma es un gráfico que indica el caudal de agua (litros/segundo) que pasa por el sector donde se realiza el análisis en cada momento. Se distinguen en el puntos notables como el caudal pico o máximo, y el punto de inflexión en la curva de recesión donde termina el escurrimiento directo provocado por la lluvia.

Para un especialista, la forma de un hidrograma es una prueba concluyente de muchas propiedades de la cuenca:

• Estado de humedad de los suelos antes de la precipitación que generó el escurrimiento,
• Respuesta en volúmenes de escurrimiento a la distribución temporal de la lluvia que los generó,
• Tiempo de concentración de escurrimientos que es una indicación de la rapidez que los escurrimientos llegan aguas abajo ante un evento de lluvias.
• Tipo de escurrimiento: bajas velocidades de escurrimiento y prolongada inundación o altas velocidades y duración reducida.

La escuela de hidrología tradicional en nuestro país es muy avanzada, y tiene una base metodológica desarrollada en EEUU y Europa. Los procedimientos y métodos que esta línea de investigación ha desarrollado fueron elaborados y probados en áreas con características muy distintas a la extrema planicie pampeana. Esto no significa que tales procedimientos sean inválidos para el problema que nos aqueja, pero implica que muchos de los factores, variables e hipótesis que intervienen en los cálculos deben ser revistas antes de aplicarlas a nuestras áreas. En nuestra opinión, hay una falta de un desarrollo metodológico hidrológico específico para la región pampeana.

Sin embargo, no hay un estancamiento profesional en este campo, sino todo lo contrario. Hay varios grupos de trabajo que están elaborando procesos de flujo a partir de modelos digitales de terreno mucho más adaptados a la realidad regional. La concepción de estos nuevos modelos parte de considerar que:

• En una planicie extensa, los procesos verticales (evaporación, infiltración) llevan más flujos que los horizontales de escurrimiento.
• El movimiento de agua se ve comprometido por microrelieves, áreas arreicas, barreras al flujo, infiltración limitada por horizontes de suelo impermeables y prácticas de manejo agrícola, que han de ser evaluadas para poder incorporar en los cálculos el porcentaje de agua de retención usualmente desestimada por modelos hidrológicos típicos de áreas de pendiente. De este reconocimiento, se define la necesidad de trabajar con modelos de terreno muy precisos.
• Los modelos hidrológicos deben contemplar efectos de remanso en los procesos de transporte de agua.

Modelos hidráulicos: ¿Es necesario modelar siempre?

Los modelos hidráulicos unidimensionales que incorporen el efecto de remanso de agua (típico de áreas de poca pendiente) son en principio adecuados para modelar las estructuras de un sistema de control modular. Un modelo hidráulico unidimensional toma como información de entrada los caudales evaluados por el modelo hidrológico. Con ellos es capaz de calcular valores muy aproximados y físicamente consistentes de altura de agua, velocidad, área inundada de cada sección de la estructura en función del tiempo. La Animacion presenta un resultado típico de un modelo hidráulico HEC-RAS de simulación (1.9 MB) donde se pueden determinar las alturas de aguas en cualquier punto de la obra simulada en función del tiempo.

El video (1.8 MB!) comieza a cargar cuando se carga la página. Una vez cargado comienza cuando el cursor se sobrepone a la figura.

Ejemplo de un modelo de cálculo hidráulico. Esta es una sección transversal típica en un río o canal que recibe una onda de crecida. La altura de agua en cada momento y en cada punto de la sección del canal se puede leer en las ordenadas (medidas en pies). Este modelación es uno de los casos de los ejemplos de los casos de estudios del programa HEC-RAS (USCE Corps USA) y no representa un caso de estudio de una obra de sistematización modular. Se utiliza el ejemplo para indicar que tipos de resulatdos se puede esperar de una modelación hidráulica. El model HEC-RAS es aplicable a obras de control de anegamientos.

Desde el punto de vista de la modelación hidráulica, es mucho más sencillo modelar el movimiento del agua después que las obras están construidas que el movimiento del agua en el paisaje natural. Una de las características favorables del sistema de manejo modular es que las obras que se ejecutan son razonablemente sencillas. Generalmente la velocidad del movimiento del agua en las obras es "muy lento" debido a la escasa pendiente general (escurrimiento subcrítico). De tal modo cada estructura en particular puede diseñarse con un modelo sencillo prácticamente independiente de la otra, siempre que se ajusten adecuadamente las condiciones de borde del modelo.

La modelación del paisaje natural en un área muy plana es un problema tremendamente complejo, tanto por el modelo que se requiere (modelos bidimensionales) como por la detalladísima información topográfica que se requiere para su correcto funcionamiento. En realidad hay muchos organismos especializados privados, gubernamentales y semi-gubernamentales que han trabajado con modelos bi y tridimensionales de escurrimientos. La utilización de estos modelos en la amplísima extensión pampeana se ve solo limitado por el costo de obtener la información topográfica con el nivel de detalle que el modelo requiere. Con la tecnología disponible hoy, la obtención de tal información es rápida, extremadamente precisa, pero todavía muy costosa para estar al alcance de individuos. (Ver Modelo de Elevación Digital del Terreno: (MED)

Uno de los mayores impedimentos que los técnicos encuentran en la solución de los problemas hídricos de la región pampeana es su modelación hidráulica e hidrológica. La pregunta as relevante en este momento es ¿Existe una necesidad fundamental en entender el funcionamiento integral hidráulico e hidrológico de esta área tan compleja como único camino para introducir un esquema de solución viable?

Nuestra visión es que el estado actual del conocimiento de los procesos hídricos en la región pampeana es bien conocido. Digamos, que los investigadores y los técnicos apoyados por la experiencia de la gente conocen "con que bueyes aran".

Una cosa debe quedar bien en claro: hacer un diseño muy aproximado del movimiento de agua superficial en un sistema natural típico de la región pampeana es absolutamente posible, pero los recursos que dicho modelo requieren a veces no justifican los resultados que de el se obtienen para casos de anegamientos de bajo periodo de retorno como el que ocupa la técnica de modelación.

Una alternativa válida es reconocer ese comportamiento hídrico a partir de la evidencia física que las relaciones entre los procesos fitogeográficos, pedológicos, hidrológicos e hidráulicos producen y que son reconocidas por los técnicos agrónomos capacitados en el terreno. Finalmente, incorporando técnicas avanzadas de observación remota y combinadas con el cálculo hidráulico presentado se completa un ámbito apropiado para encarar la solución de los problemas hídricos normales de la región.

Modelaje

Control de caudales en lagunas bordeadas

Es bien conocido el efecto regulador que tiene los diques y presas en la prevención de inundaciones. Una presa es una barrera sólida de material transversal al escurrimiento natural de agua que encierra un volumen donde el agua entrante se acumulará en vez de continuar su derrame natural. La salida de agua de la presa puede ser automática, manual o remotamente controlada. El cálculo hidráulico de este efecto es muy sencillo. Básicamente, el caudal de agua que sale de la presa menos el caudal de agua que ingresa debe ser igual al volumen de agua que la presa acumula. El método es idéntico para presas de cualquier dimensión.

Fig 1: Ejemplo de efecto regulador de una presa baja. La línea azul es el caudal de entrada y la verde el de salida. Para el cálculo se adoptó una salida fija, un área de represamiento de 5 ha y un caudal de entrada arbitrario.	Fig. 2: El mismo efecto regulador de caudales pero para una presa de 8 has. manteniendo el caudal de entrada y la evacuación. Se observa que al aumentar el área de represamiento el efecto regulador es mayor.

Las figuras superiores representan los resultados de dos modelos hidrológicos de cálculo de presas diseñados a efectos de este escrito. Se adoptó un esquema denominado "reservorio lineal" que es el que aplica en casi la totalidad de las presas diseñadas dentro de los sistemas modulares. Un reservorio lineal es aquel en que la salida de agua del embalse es proporcional al almacenamiento.

La línea azul en ambos gráficos representa los caudales entrantes al embalse y la verde los caudales salientes. Lo único que se cambió en el modelo entro las dos figura es el área embalsada. En el primer caso se adoptaron 5 ha, y en el segundo 8 ha.

Se observa lo siguiente:

• Cualquiera sea la configuración del embalse, la curva de descarga siempre tiene un pico máximo menor y desfasado en el tiempo que el pico de entrada.
• Cuanto mayor sea el área del embalse, mayor será la reducción del pico de descargas. Este es el efecto de la regulación del embalse.
• El volumen de agua total de salida es el mismo para cualquier configuración de un embalse tipo "reservorio lineal", inclusive si la presa no existiera. Lo que es muy distinto es el tiempo en que ese volumen abandona el embalse. Cuanto mayor sea la capacidad de almacenamiento del embalse, mayor será el tiempo de retención del agua en el mismo.
• La obras de conducción de caudales a la salida del embalse se dimensionan a partir del caudal máximo de descarga, por tanto a partir del efecto regulador de la presa, los caudales son menores y las obras de conducción requeridas tienen menores dimensiones, y por tanto son menos costosas.

Este efecto regulador se potencia cuando se disponen de cadenas de presas en series. Esta posibilidad es una alternativa muy válida en la región pampeana a través del "encadenamiento" de lagunas. El cálculo hidrológico es una extensión del anterior. En el siguiente ejemplo supondremos que toda el agua que entra al área modular es producto de escurrimientos producidos aguas arriba del sistema. Los caudales horarios de entrada al sistema se representan en la figura 3.

Las Figura 4, Figura 5 y Figura 6 son representaciones del estado natural de tres lagunas encadenadas por una cañada de sección regular. Supondremos que las lagunas estaban secas cuando recibieron los escurrimientos. Las obras todavía no están construidas.

	Fig. 3: Hidrograma de entrada al sistema. Se observa cual es el caudal entrante al sistema de tres lagunas encadenadas, que es el caudal que entra en la laguna situada en la posición superior.
	Fig. 4: La entrada de agua a la primera laguna, que es idéntica al hidrograma de la Fig. 3 se muestra ahora en rojo. El caudal de salida está representado de esa laguna se presenta en azul. Se observa que la laguna natural es capaz de retener escurrimientos hasta que se colma su capacidad, cosa que en este caso ocurre en cuatro horas. Luego de ese momento, la laguna se satura y toda el agua que entra sale sin ningún tipo de regulación de caudal, Lo que significa que a partir de ese momento, todo el caudal que entra es idéntico al que sale.
	Fig 5: La entrada de agua a la segunda laguna se muestra en rojo y salida en azul. Lo primero que se observa es que la entrada de agua a la segunda laguna no es idéntico a la salida de la primera laguna. Esto se debe a que el agua debe recorrer la distancia que separa estas dos lagunas , que se estimó en 2 km. Se observa el mismo efecto que en la Fig. 4, y el escaso efecto regulador debido a la poca capacidad de la laguna. Una vez que la segunda laguna se colamata, toda el agua que entra, sale.
	Fig 6: El efecto e la tercera laguna es idéntico al de los casos anteriores, por lo que este gráfico muestra otra peculiaridad. El hidrograma de salida de la tercera laguna se muestra en rojo y el hidrograma de llegada de aguas a un sistema general de evacuación, río o canal, situado a dos km aguas abajo de la tercera presa se muestra en azul. Se observa que el efecto final de tener las tres lagunas en serie se reduce a completar su capacidad. A partir de ese momento el sistema natural no tiene más capacidad de regulación.

En la figura 3 se observa el hidrograma de entrada de agua. En este caso tiene un pico de crecida de 2.1 m3/seg que ocurre a las 7:00 horas del inicio del ingreso de agua.
La Figura 4 muestra la llegada del agua a la primera laguna en rojo y la salida del desde esa laguna en azul. La laguna tiene una capacidad natural para almacenar agua. Durante las primeras cuatro horas, el agua entrante es almacenada en la laguna. Durante ese tiempo no hay salida de agua porque la laguna natural se está llenando. La línea azul marca valores iguales a cero. A partir de la cuarta hora toda la capacidad de la laguna natural se saturó. A partir de ese momento, todo nuevo caudal que arriba a la misma, sale, pues no hay más capacidad de almacenar agua.

La figura 5 muestra el arribo del agua a la segunda laguna y su salida de la misma. Lo primero que se observa es que la forma del hidrograma de entrada a la segunda laguna (en rojo) es similar al hidrograma de salida de la primera laguna, pero no es idéntico. Lo que ocurre es que durante el proceso de transporte entre las dos lagunas, también hay una mínima reducción de caudales. Además los caudales de la primera laguna tardan algo más de una hora en llegar a la segunda laguna, que es el tiempo estimado en recorrer los 2 km de separación entre las lagunas
El efecto se repite en esta segunda laguna. El caudal entrante tarda dos horas en llenar la segunda laguna, y durante ese tiempo no hay caudales de salida. A partir de ese momento se llena la capacidad de la laguna y todo caudal entrante sale.

La figura 6 muestra la salida de la tercera laguna en rojo y el mismo caudal dos kilómetros aguas abajo, donde suponemos que el agua ingresa en un canal o vía de conducción general.
Se observa que por acción reguladora de las lagunas, el pico de caudal se logró reducir de 2.1 m3/seg, máximo que se observa en la fig.3, a 1.75 m3/seg.
El agua que entró al sistema fue de 44 dam3 y la que salió fue de 27 dam3. La diferencia fue almacenada en las lagunas que se saturaron y a partir de este momento no tienen capacidad para almacenar más agua. En tal caso, si un segundo aluvión llega al sistema antes de que las lagunas recuperen su capacidad de almacenamiento, todo ese caudal inundará áreas no usualmente anegables perdiendo además la capacidad de regular caudales.

Las fig. 7 y 8 representan el mismo sistema después del manejo modular. El agua entrante es capturada por las obras de captación y conducida al sistema de lagunas anterior ahora convertido en tres presas en serie separadas 2 km una de la otra.
Todas las presas tiene las mismas características de tamaño y de obras de evacuación, similares a la del ejemplo de la figura 1.

Fig. 7: La primera laguna ha sido transformada en una presa baja. Se observa que los caudales salientes de la presa comienzan a fluir exactamente al mismo tiempo que en el caso de la laguna sin sistematizar (4 hs). Eso ocurre pues primero se debe llenar la laguna natural. Luego que esto ocurre, el efecto regulador de embalse es evidente. Solo en la primera laguna el caudal máximo se redujo de 2.1 m3/seg a 1.2 m3/seg.

Fig. 8: Entrada de agua a la tercera presa en rojo y la salida en azul. Se observa que la tercera presa no tiene un gran efecto regulador una vez que su volumen de base se ha completado. Este es el diseño correcto. Para los caudales normales de anegamientos frecuentes, la mayor regulación ha de hacerse en las presas localizadas aguas arriba. El caudal que reciben estas presas inferiores es muy bajo, por lo que no necesitan ser excesivamente regulados.

En la figura 7 se observa que el efecto de llenado de la laguna original es idéntico a la situación sin presa. Sin embargo a partir de la cuarta hora, con la laguna original completa de agua, el sistema comienza a trabajar como una presa de regulación. El modelo indica que la reducción del pico original de 2.1 m3/s es casi del 40%. Ese volumen de agua se acumula en la presa y está la abandona en un período que se prolonga hasta las 14 horas desde el arribo de los caudales. Cuando los caudales son menores, el efecto regulador de la presa es mucho menor, pues los caudales entrantes son similares a caudales normales de diseño.

La figura 8 muestra la entrada a la tercera presa en rojo y la salida en azul. El caudal de regulación es mínimo pues las presas superiores fueron suficientes para prevenir la llegada de picos importantes a la tercera presa. El criterio de diseño debe siempre considerar que las presas aguas arribas son las más comprometidas a la regulación y a la seguridad.
El resultado final de la regulación se puede resumir en la tabla inferior. Se observa el efecto de regulación en la reducción del pico máximo de crecida, y la capacidad remanente de regulación del sistema para una eventual segunda crecida.
En importante destacar en este punto que el diseño eficiente de las obras de evacuación de las presas puede reducir fundamentalmente el volumen saliente después de 24 hs, el pico de crecidas o ambos simultáneamente.

Areas de expansión

Las áreas de expansión son ensanchamientos de los bordos de conducción y se ejecutan en área donde las conducciones pasan por áreas bajas de poca extensión. Es poco probable poder recuperar un área alcalina baja de por sí, por lo que generalmente es improductiva. De tal forma se opta por desviar la ejecución de uno de los bordos del canal de conducción alrededor de esa zona baja para incluirla.

Conducciones: Rugosidad vs caudal

Una vía de conducción de agua puede tener distintos grados de rugosidad entendiéndose que puede ser poco rugosa como un canal de hormigón premoldeado o muy rugosa como una vía de conducción muy empastada, con juncos y desperdicios.
Para un canal de dimensiones establecidas, con una pendiente determinada el caudal de agua que puede atravesarlo dependerá exclusivamente de la rugosidad, tal como se explica en las figuras 10 y 11. Para evacuar el mismo caudal un canal cubierto por vegetación necesita incrementar la carga (altura) de agua.

Fig. 10: La rugosidad de cada sección de la sección transversal se observa en la parte superior de la figura (0.15, 0.25, 0.04 y 0.15). La sección principal del canal tiene una rugosidad de 0.04 (parcialmente vegetado). Los laterales tienen una vegetación más densa. Esta vía de conducción en las condiciones de vegetación presentadas, es capaz de evacuar el caudal máximo de con una altura absoluta de 212.5 m sobre el plano de referencia.

Fig. 11: A la misma vía de conducción, se le duplicó la rugosidad, tal como se observa en la secuencia (0.3, 0.5, 0.08 y 0.3). Este es el efecto que provoca sobre un canal un aumento considerable de su vegetación. Para descargar el mismo caudal anterior, la altura del agua se incrementa pues la resistencia al escurrimiento provocada por la vegetación es mayor. Para el caso de este ejemplo, se requiere una altura absoluta de 214 m sobre el plano de referencia.

Este no es el único efecto que la rugosidad ejerce sobre el escurrimiento. Un canal limpio evacuará un volumen de agua en forma más eficiente. Un canal vegetado almacenará más agua (debido al incremento de la carga hidráulica) durante todo el proceso de escurrimiento. Este efecto implica que el canal densamente vegetado tendrá un efecto más favorable en términos de reducción del pico máximo de crecida. Sin embargo esta característica favorable no es relevante a la hora del diseño estructural debido a que un incremento de altura en la carga hidráulica debe ir acompañada de un incremento en la altura de los bordos de contención, lo que encarece en demasía las obras de control.
De este resumen se establece la necesidad de mantener los canales limpios y libres de vegetación obstructiva a efectos de asegurar que las obras funcionen tal como fueron diseñadas y no en sobrecarga.

Conducciones: caudales que escurren en función de la altura de agua.

En una vía de escurrimiento en un área de baja pendiente el caudal de agua que dicho canal transporta está en función de la carga de agua (profundidad del agua) en ese canal. Para cargas muy bajas, la rugosidad del canal domina el escurrimiento. A medida que la carga de agua aumenta la influencia de la rugosidad es relativamente menos importante.
La figura 12 muestra la relación que existe entre el tirante de agua y el caudal. Para este ejemplo se dejó todas los demás parámetros de diseño fijos. Se observa que un aumento de tirante de 40 cm implica que el caudal de transporte se duplica para tirantes bajos y se triplica para tirantes altos. Normalmente la carga de agua de diseño en obras de sistematización modular está limitada por aspectos de diseño constructivo, maquinarias disponibles y erosión de laterales.

Fig. 12: relación funcional entre la descarga de agua en un canal de baja pendiente y el caudal de agua que transporta. Para este ejemplo se seleccionó un canal trapezoidal con una pendiente de 0.1 % y un ancho de base de 4 metros.