Visión técnica general de avenidas

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Presento en este artículo una visión general de los efectos, parámetros y herramientas de análisis en el estudio de las avenidas bajo su concepto de situación extrema.

Estudios revelan la frecuencia y la severidad de estas situaciones extremas. La probabilidad de que sucedan estos acontecimientos para los que la sociedad debe preparase para combatir, minimizar o tomar las medidas necesarias ante sus efectos no deseados.

Comúnmente las avenidas generan inundaciones y destrucción (o modificación) de elementos naturales y artificiales.

Aunque bien es cierto que las inundaciones pueden tener su origen en otras fuentes naturales distintas a las avenidas de los ríos como pueden ser las originadas por las fuertes mareas (de costa), me focalizaré en las primeras.

De un lado, la elevación de la lamina de agua anegando terrenos, zonas urbanas, rurales e industriales provoca pérdidas agropecuarias, paisajísticas y naturales, de flora y fauna, de actividad social y económica.

De otro, el grado de la fuerza destructiva o modificadora que una avenida confiere a su contorno. Aquí se tendrán en cuenta varios factores singulares. El caudal, la disposición y características físicas de elementos atacados por la avenida son parámetros que identifican ese valor de la fuerza.

El caudal, volumen y velocidad de agua de una avenida transforma el contorno a su paso, modificando riberas de ríos, transportando grandes cantidades de sedimentos, incluso la flora y fauna por espacios largos de tiempo. De sobra conocidos los efectos destructivos sobre infraestructuras viarias (puentes, carreteras, etc.), edificaciones (rurales y urbanas) y demás elementos singulares (presas, instalaciones industriales, etc.).

Existen múltiples parámetros a tener en cuanta en el estudio de avenidas desde el punto de vista técnico pero el criterio y el buen saber del consultor hará que para cada caso en particular se tengan en cuenta unos y otros. Discriminará o primará los parámetros de inicio según el caso a estudiar y de la cantidad de información con la que se cuente en el espacio y en el tiempo.

En cualquier caso, se necesita un estudio previo general del proceso lluvia - escorrentía, de tránsito de hidrogramas a lo largo del cauce del río o de laminación de hidrogramas provocado por estuarios o embalses. Igualmente es fundamental poder contar con parámetros deducidos de sistemas de información geográfica (GIS).

Así, a partir de la información de los hietogramas (precipitaciones totales y netas en profundidad, duración e intensidad), de las características geomorfológicas de la cuenca o subcuencas que recogen las aguas (tamaño, pendientes, formas y geometrías, edafología y litografía, usos del suelo) para valorar la evapotranspiración, infiltración y el almacenamiento superficial, deduciendo los hidrogramas (caudales), se pueden modelizar avenidas y predecir sus comportamientos. Otros parámetros de interés en la modelización son:

  • Datos geográficos (perfil longitudinal, planta y secciones transversales del cauce y contorno del río, secciones de puentes y otros elementos singulares, etc.)
  • Datos de sedimentos (granulometría, diámetros, peso especifico, factores de forma, velocidades de sedimentación, etc.)
  • Datos hidráulicos (características físicas del fluido, rugosidades con el contorno, etc.)

El estudio a nivel muy teórico del curso de agua por un río sería reducido al movimiento de un fluido por un canal. Es decir, toda la teoría de flujos en canales abiertos, distribución de velocidades, de su energía y cantidad de movimiento y geometría del canal, podría modelizar de manera simplista el comportamiento de una situación extrema. Con la ayuda de ecuaciones que rigen la mecánica de fluidos y de sistemas computerizados para la resolución matemática y gráfica de aquellas expresiones matemáticas, obtendríamos unos resultados sobre el comportamiento de una avenida.

Pero la realidad está amenizada por características que hacen de cada estudio una situación particular. Es cierto que podemos contemplar características globales y generales, pero será labor del técnico consultor primar, ponderar, discriminar o incluso desechar variables en su estudio.

Igualmente, después de cada estudio o modelización del comportamiento de una avenida, deberíamos testear la bondad de nuestro modelo. Así los modelos y simulaciones se testean para que las desviaciones entre el modelo teórico y la realidad se minimicen. Se introducen así las limitaciones y simplificaciones a los modelos de análisis de avenidas.

Herramientas de análisis y simulación se han extendido durante las últimas décadas. La aplicabilidad de cada una de ellas a cada caso, sus limitaciones y el conocimiento teórico de sus escenarios de trabajo, son fundamentales para una óptima predicción de las avenidas.

Las estrategias a adoptar en el análisis y estudio de las avenidas tienen un doble origen. De un lado expresiones matemáticas que representan el comportamiento de las mismas y por otro lado la teoría de modelos y prototipos. Tanto una estrategia como otra tienen sus limitaciones y será el criterio del consultor quien decida sobre unas y otras al igual que defina la aplicabilidad en cada caso.

Los modelos matemáticos usados en distintos programas computacionales basan su formulación en expresiones generales de la mecánica de fluidos como son la conservación de la masa (continuidad), conservación de la cantidad de movimiento y de la energía (ecuaciones de Navier Stokes y /o del transporte de Reynolds).

Los resultados de los modelos matemáticos proporcionan valores para cada sección del río introducida (energía, calado, velocidad, cota de la lámina de agua, energía crítica, pérdidas de energía, etc.). Incluso proporciona información en elementos singulares (estribos y pilas de puentes, embalses, tramos con confluencias, etc. ) y de erosión, transporte y sedimentación.

Pero la resolución matemática de estas ecuaciones no es generalista y en muchas ocasiones presentan problemas irresolubles o los resultados obtenidos plantean dificultades de interpretación que obligan al consultor a desechar esta estrategia de modelización de avenidas.

Es entonces cuando aparecen en escena los modelos físicos (teoría de semejanza entre modelos y prototipos), que aunque igualmente que los modelos matemáticos presentan sus limitaciones, pueden abordar una modelización que los modelos matemáticos no pueden. Son soluciones mas costosas económicamente hablando que los modelos matemáticos y a la vez mas restringidas y específicas en el estudio. Se trataría de construir a escala reducida (modelo) la realidad (prototipo) para el estudio de aspectos mas singulares que los modelos matemáticos no ofrecen confianza o solución. Hablaríamos entonces de semejanza geométrica, cinemática y dinámica (semejanza absoluta entre modelo y prototipo) y de la aplicación de la teoría del análisis dimensional. Nuevamente indicar que esta semejanza absoluta entre modelo y prototipo es en muchos casos inalcanzable y por ello hay que aplicar simplificaciones razonables y llegar a una semejanza restringida (de Froude, Reynolds, etc.). Es por ello que se hace necesario la introducción de simplificaciones para cada caso estudiado.

Las salidas de los modelos físicos son mas restringidas que las de los modelos matemáticos pues se modelizan situaciones particulares para analizar fuerzas hidrodinámicas, transporte de sedimentos, etc.

De entre los modelos matemáticos computacionales mas comunes destacan los programas HEC (del Hidrologic Engineering Center, USA) en todos sus componentes. En concreto el HEC-RAS para el cálculo en régimen permanente de la superficie libre del agua en cauces naturales y artificiales en régimen subcrítico y supercritico. Otros modelos matemáticos mas generales de CFD (OpenFOAM) también son de gran utilidad para esta disciplina.

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