Mejía DISEÑO, RESTAURACIÓN Y REHABILITACIÓN DE
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VI JORNADAS DEL CONAPHI – CHILE Santiago, Chile, mayo 1999 DISEÑO, RESTAURACIÓN Y REHABILITACIÓN DE CAUCES CON MATERIALES NATURALES M. en I. Roberto Mejía Zermeño Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA) Coordinación de Tecnología Hidrológica Subcoordinación de Hidrología y Mecánica de Ríos Correo-e: [email protected] RESUMEN Un aspecto relevante en el diseño, preservación y restauración de cauces naturales es mantener o restaurar las condiciones naturales, no sólo en los aspectos geomorfológicos funcionales sino también en los relacionados con el ambiente, el paisaje, el aspecto biológico, etc. El fin de este enfoque es reducir al mínimo las modificaciones al cauce y restituir los hábitats que favorezcan la biodiversidad y de manera simultánea preservar la funcionalidad del sistema natural de drenaje. La visión tradicional para el diseño o rehabilitación de cauces naturales consiste en mantener la alineación en un solo cauce, recurriendo a acciones drásticas, como el corte de meandros, la construcción de diques y muros, la eliminación de zonas inundables, etc., las que a la larga cambian el comportamiento funcional de todo el sistema original. Sin embargo, han propiciado que se tengan mayores volúmenes aguas abajo y crezca la capacidad erosiva y de arrastre del flujo, sin considerar que se destruye la funcionalidad del sistema y el hábitat correspondiente; en diferentes niveles biológicos: peces, aves, animales silvestres, etc., se ven obligados a emigrar o perecen al no encontrar medios propicios para su desarrollo. Un enfoque que mantenga, forme o se acerque a las condiciones originales de un cauce debe considerar elementos naturales que de manera estructural y operativa contribuyan a mantener las condiciones funcionales del cauce y su hábitat. En este trabajo se comenta, de manera general, este tipo de obras y su interacción con la ingeniería fluvial y los aspectos biológicos ahora inherentes a las obras civiles. DISEÑO, RESTAURACIÓN Y REHABILITACIÓN DE CAUCES CON MATERIALES NATURALES M. en I. Roberto Mejía Zermeño Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA) Coordinación de Tecnología Hidrológica Subcoordinación de Hidrología y Mecánica de Ríos Correo-e: [email protected] INTRODUCCIÓN Un aspecto relevante que se ha retomado en el diseño y sobretodo en la preservación y restauración de cauces naturales, es mantener o intentar regresar lo más aproximado a las condiciones naturales originales; no sólo en los aspectos geomorfológicos funcionales si no también en los aspectos ambientales de paisaje, biológicos, etc. Esto con el fin de evitar modificar los hábitats existentes o recobrar los perdidos. Actualmente la interacción del hombre con los cauces ha propiciado que se pierda el equilibrio dinámico que originalmente existía; esto se ha logrado además de con acciones directas, también de manera indirecta por los cambios en el ciclo hidrológico propiciados por modificaciones en el manejo de la cuenca de aportación; esto es, se ha roto el balance natural del ciclo hidrológico. La visión tradicional para realizar el diseño de cauces naturales está en lograr un solo cauce alineado, recurriendo a acciones drásticas como el corte de meandros, la construcción de muros de concreto, espigones impermeables invasivos del cauce, etc., que a la larga han cambiado el comportamiento operativo (funcional) del sistema. Pensados para evitar totalmente inundaciones en las zona aledañas, se ha propiciado, combinado con manejos inadecuados de las cuencas, que se tengan volúmenes mayores y que crezca la capacidad de arrastre del flujo, con el posterior depósito de sedimentos aguas abajo. Sin olvidar la destrucción de los hábitats, en diferentes niveles biológicos, para peces, aves, animales silvestres, etc., que se ven obligados a migrar o perecen al no encontrar medios propicios par su desarrollo. ASPECTOS GEOMORFOLÓGICOS En general al analizar un cauce, éste debe considerarse desde un punto de vista sistémico, que significa que todos los aspectos biológicos, geomorfológicos, sociales, etc., están interactuando entre sí. De tal manera que se debe ver de una manera global las operaciones funcionales de una corriente. Un primer paso es determinar su configuración geomorfológica desde un punto de vista cualitativo, esto llevará a conocer el proceso físico que gobierna el sistema. Para ello se debe identificar las características en planta y en perfil (secciones) del tramo bajo análisis, seleccionando las que sean más representativas. A continuación se deben evaluar las variables principales y sus relaciones: pendiente del valle, pendiente de la cuenca, ancho a cauce lleno, sinuosidad, gastos significativos y sus correspondientes niveles (medio, máximo, cauce lleno, base, avenidas normales); cauce de avenidas, pozas, rápidos, vegetación en orillas, barras en punta (point bar), etc., También se deben determinar los controles geológicos y los impuestos por el hombre de tipo temporal o prácticamente inamovible. Se deben establecer las relaciones cualitativas y cuantitativas entre estas variables. Conociendo éstas se puede configurar el funcionamiento existente en el cauce para diferentes circunstancias determinando así la funcionalidad y las situaciones que afecten a los componentes de este sistema. Por ejemplo, ciertos obstáculos en un cauce, naturales o producto del hombre, sólo actúan para ciertos niveles de gastos impidiendo que el escurrimiento siga un camino prefijado y esto provoca remansos que a su vez afectan zonas no destinadas originalmente a contener agua. En esta etapa es también cuando se hace el acopio de información vinculada a los aspectos biológicos: vegetales, animales; determinando la composición de la biota y las características del hábitat correspondiente en tiempo y espacio de cada especie. En el análisis cuantitativo de las variables seleccionadas es importante incluir los siguientes parámetros: Pozas y rápidas Separación Materiales Ubicación Tamaño Radio de curvatura (rc) de meandros Longitud (L) de meandros Ancho a cauce lleno (Bbf) Barras Tipo Ubicación Material Material de cauce (Di) Granulometría Fondo Orillas Vegetación (tipo, edad, cualidades, etc.) Fondo Orillas Planicie de avenidas Ancho (Bp) Características de los bordos, materiales y vegetación Geometría de la sección Pendiente Cauce (Sc) Valle (Sv) Secciones Formas típicas en estiaje, en avenidas, etc. Gastos Medio anual (QmedA) A cauce lleno (Qbf) Máximo normal de avenidas Base Crítico de inundación Crítico de arrastre Para diferentes períodos de retorno Sinuosidad Gasto sólido De fondo En suspensión Animales En agua En orillas Ubicación Tipo de hábitat Tirantes Estiaje Máximo etc. Rugosidad Rocas Tamaño Ubicación Función Esquema funcional del sistema fluvial Relaciones de variables Bp/Bbf Bbf/y ScQ1/4 Qbf/ QmedA rc/Bbf etc. Algunos valores cuantitativos para el diseño de los cauces estables “en forma natural”, se basan en los conceptos propuestos inicialmente por Leopold, Wolman, Lane y Langbein; que fueron retomados y aplicados para este nuevo enfoque por Keller, Brookes, Simons, Henderson, Rosgen y otros. Aunque mucha de la experiencia obtenida se ha logrado en Estados Unidos en cauces pequeños, de manera práctica, por empresas comerciales en Estados Unidos, Alemania e Inglaterra, sobre todo buscando la vinculación biológica ambiental con el diseño ingenieril. ASPECTOS FUNCIONALES A continuación hay que definir desde el punto de vista fluvial, con base en las características geomorfológicas, la funcionalidad del cauce para diferentes escenarios, partiendo de la situación existente. La conformación de escenarios, será considerando las variables y parámetros obtenidos, además de tomar en cuenta las interacción con el entorno humano y la necesidad de modificar o controlar el sistema para un fin deseado. El siguiente paso es establecer y justificar el tipo de cauce y sus características geomorfológicas y analizar cuidadosamente el comportamiento que ha tenido, que tiene y que podría esperar a futuro. Con base en esta evaluación geomorfológica se diseña el cauce (diseño total o restauración) para establecer las condiciones sistémicas funcionales del cauce. Los fines para diseñar un cauce se pueden agrupar en cinco categorías: A) Recomendaciones para minimizar los efectos adversos de procedimientos convencionales. B) Métodos de mitigación o modificación del uso del cauce. C) Alternativas sobre situaciones especificas D) Reconversión E) Integración y aprovechamiento de planicies de avenidas. Cada categoría tendrá una forma de analizarse que principalmente evalúe las características locales de manera particular. Por ejemplo; existen diferencias entre un cauce pequeño, digamos menor de 20 m y uno mayor y también en un cauce de un bosque urbano o silvestre e incluso en zonas poco accesibles. Estas diferencias significan en sí disponibilidad de diferentes materiales y equipos para la construcción y mantenimiento de un cauce, elementos que deben tomarse en cuenta cuando se realice el trabajo. Los cauces trenzados relativamente pequeños pueden rediseñarse para convertirse en meandreantes ubicando convenientemente las zonas de pozas y rápidos y forzando curvas con enrocamientos y palizadas. Es relevante acotar que la funcionalidad del sistema fluvial incluye no sólo el cauce, sino que se conforma por los componentes de este sistema: humedales, zonas bajas, llanuras de inundación, áreas aledañas, etc., que contribuyen a modificar y controlar el escurrimiento. Vale pensar que originalmente las grandes avenidas reconocían estos elementos, lo que permitía amortiguar el impacto, en tiempo y volumen, que se produce actualmente aguas abajo por modificaciones a los patrones geomorfológicos originales o modificaciones en el uso del suelo en las cuencas de aportación. Es un hecho que no se puede regresar al pasado, pero un diseño o re-diseño de un cauce hay que tomar en cuenta la interacción actual con las actividades humanas y buscar, no la antagonía entre ambas, sino la completitud y una nueva visión del entorno natural mediante hábitats reinsertados que capten otras especies en la zona. USO DE MATERIALES LOCALES BIODEGRADABLES Un detalle especial que se debe tomar en cuenta es el uso de materiales locales. Lo primero que hay que entender es que su empleo mantiene condiciones naturales que restringen riesgos de degradación ambiental y de paisaje y preservan hábitats que favorecen la permanencia de especies vegetales y animales en las zonas y en general, con un buen diseño, son económicamente mejores que las opciones convencionales. Otra parte importante de esta nuevo enfoque para el uso de la vegetación, a parte del ambiental, es emplear troncos y otros elementos naturales, incluso vivos, que realicen un trabajo estructural, esto significa por ejemplo, formar un paramento para retener las márgenes con troncos y cubrir los taludes con mallas biodegradables, usar cubiertas de pasto con ciertos tipos de árboles para fijar el suelo y resistir el empuje del agua, etc. En el aspecto ambiental y de paisaje el uso de la vegetación se da en servir de sombra para mantener cierta temperatura en el cauce y propiciar alimento y resguardo a algunas especies animales. En cada país se requiere un inventario detallado de los recursos naturales en relación con su actuación como elementos estructurales en las obras fluviales; así como los diferentes hábitats que existen o existían en las diferentes regiones de cada país. Con esto podrá hacerse una selección de troncos y raíces para formar o estabilizar una orilla (palizada) o formar una trinchera de ramas y raíces o formar hexápodos (jacks) masivos naturales, que son más estables que el enrocamiento, y tal vez combinarse con una malla de geotextil biodegradable para mantener la vegetación de cubierta mientras ésta se establece, o bien usar mallas naturales de ixtle o fibra de coco, etc. Por otro lado puede incluso llegarse a propiciar “refugios artificiales” bajo el agua, para crear hábitats “naturales” de los peces, etc. ELEMENTOS DE DISEÑO Uno de los principales ingenieros que trabajan este tema es David L. Rosgen que, a vía de ejemplo, propone usar la relación del ancho de la llanura al ancho del cauce lleno, llamada por él relación de anchos, para clasificar los cauces (trenzados, rectos meandreantes) y poder establecer su situación de estabilidad y posible evolución. Con base en ésta y las expresiones de Leopold y Wolman, que en su medio le han dado buenos resultados, se puede calcular el redimensionamiento del cauce y comparar para definir tendencias a futuro. Las expresiones sugeridas por Leopold y Wolman (1960) son las siguientes. 1.01 Lm = 11.030 Bbe Am = 3.041 Bbf1.1 Lm = 4.590 r cm Donde: Lm = longitud del meandro (m) Bbf = ancho a cauce lleno (m) rcm = radio de curvatura (m) Am = amplitud del meandro (m) Aquí se debe insistir en que en sitios diferentes a los lugares donde se han aplicado, se deben de verificar estas relaciones, sobre todo cuando exista una carga grande de sedimentos o las corrientes sean intermitentes o efímeras. A continuación se mencionan, como ejemplo, algunas recomendaciones para el diseño de cauces. En el caso de las pozas y rápidos, la distancia entre ellos (el conjunto), será de seis veces el ancho a cauce lleno. La separación entre deflectores, para favorecer la creación de zonas con baja velocidad del flujo, será de 5 a7 veces el ancho a cauce lleno. Se deben considerar dos niveles de gastos: para flujo base y de avenidas, éste último en conjunto con la amplitud de los meandros. En conjunto con estas recomendaciones de diseño fluvial es básico conocer detalladamente la vegetación local y circundante así como los animales que viven y circular en estas zonas, para con ello definir los hábitats que favorecen su permanencia, ya sea creándolos o preservándolos en conjunción armónica con el diseño funcional obtenido. COMPARACIÓN ENTRE MÉTODOS Todo parece muy prometedor, pero, ¿es económicamente factible? En términos de recuperación rápida de la inversión y “ganancia de utilidades”, no necesariamente. Ahora el nuevo paradigma es el desarrollo sustentable; es dejar funcionando las cosas para el futuro. En ese tenor la ecohidrología tiene mayor presencia, a continuación se presentan unas tablas comparativas entre los procedimientos convencionales en ingeniería y la ecohidrología. Éstas son producto de las experiencias en Estados Unidos y algunos países de Europa. Sin olvidar que estamos en Latinoamérica, podemos tomar ventaja de dichas experiencias, pero necesitamos adquirir experiencia en nuestro medio y crecer considerando las dificultades y el estilo de cada país Latinoamericano. DIFERENCIAS ENTRE INGENIERÍA CONVENCIONAL Y ECOLÓGICA CARACTERÍSTICA Objetivos Beneficios al ecosistema Materiales Procesos Clima y paisaje Vida útil Ejecución Costos de operación mantenimiento Uso de suelo. Afectaciones Ingeniería Convencional Uno Bajo Obras civiles artificiales de concreto, acero y otros materiales Regulados por el hombre Relativamente poco importante Relativamente corta Controlada y Alto Bajo Ingeniería Ecológica Múltiple Alto Características naturales de paisaje y acuáticas Naturales, autoregulados Crítico Relativamente larga Flexible, variable Bajo Alto BENEFICIOS DE LA INGENIERÍA ECOLÓGICA Reducción y prevención de daños a personas, propiedades y al ecosistema Control de contaminación Control de erosión Protección contra inundaciones Recarga de acuíferos Manejo y reducción de azolves Determinación de zonas de riesgo Mantener funcionalidad del cauce Beneficios adicionales y no cuantificables Turismo Zonas de recreación Hábitat para nuevas especies Hábitat para vida natural Paisajes Educación Protección a la biodiversidad Uso de especies de manera racional Enriquecimiento del suelo CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES EN INGENIERÍA ECOLÓGICA Paisaje y estructuras acuáticas pozas humedales terrazas bermas fondo de cauces riberas orillas rápidos curvas grupos de rocas Funcionalidad del cauce llanura de inundación meandros estabilidad cauce de avenidas cauce de estiaje zonas inundables depósitos y erosiones Plantas y comunidades animales vegetación de humedales pantanales pastos árboles arbustos animales terrestres cuevas en ríos aves peces insectos REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS AUTOR Brookes A. TÍTULO Alternative Channnelization Procedures FUENTE Alternatives in Regulated River Management, Chap. 5 Swales Stephen The use of Instream Habitat Improvement Alternatives in Methodology in Mitigation the adverse effects of Regulated River River Regulation on Fisheries Management, Chap. 7 McGill S. y Gracie J. Restoration of Stream Channel Using Native Land and Water, Materials January/February Whitin J. y Scherer Eric Riparian Zone Habitat Restoration Project Land and Water, July/august DiBuono R. J. y Dyhouse The 1993 Flood: A Vindication of Federal Levees Natural Disaster Gary R. and Reservoirs or A Call for "Back to Nature"? Reduction. ASCE Siegel M. D. Natural Stabilization of a Streambank Land and Water, may/June Lee D. Lake Tahoe River Restored Land and Water, July/august Rosgen D. L. River Restoration Utilizing Natural Stability Land and Water, Concepts July/august Roley W. Watershed Management and Sediment Control for Land and Water, Ecological Restoration November/December Abt S. R., Fischenich J. C. Bank Stabilization and Habitat Aspects of Low-Flow Land and Water, y Peters M. R. Channels January/February Skidmore P. B Restoration of a Placer Mined Trout Stream Land and Water, July/august Newbury R. Rivers and the Art of Stream Restoration Geophysical Monograph 89. American Geophysical Union Hunt C. E. A natural Storage Approach for Flood Damage Special Report 97Reduction and Environmental Enhancement S005 U. S. Geological Survey River Council. Japan Recommendations on Future Policy for Improvement River Councial Japan of River Environments AÑO 1989 1989 1993 1993 1994 1994 1994 1994 1994 1995 1995 1995 1997 199598