Farias, Hector Daniel_criterio Fluvio-morfologico - Trabajo Completo Rios 2017.pdf

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VIII Simposio Regional sobre Hidráulica de Ríos

CRITERIO FLUVIO-MORFOLÓGICO PARA DEFINIR EL EMPLAZAMIENTO DE PUENTES SOBRE GRANDES RÍOS DE LLANURA Héctor Daniel Farias, Alfredo Fabián Reuter y Jorge Prieto Villarroya Instituto de Recursos Hídricos, FCEyT-UNSE Laboratorio de Hidráulica, Parque Industrial, La Banda, Santiago del Estero, Argentina E-mail: [email protected]

RESUMEN En este trabajo se propone un criterio cuantitativo, a partir de indicadores basados en rasgos fluvio morfológicos, a fin de sistematizar el análisis de tramos de ríos en grandes cursos de llanura. El objetivo es definir sectores dinámicamente estables, propicios para trazas de enlaces físicos u otras obras de ingeniería en el curso o su entorno fluvial. El procedimiento metodológico incluye estimación de caudal dominante, uso de técnicas de modelación hidráulica y análisis multi-temporal de imágenes. La aplicabilidad del criterio se ilustra con un caso práctico concreto, consistente en el estudio de tres alternativas de conexión física entre las provincias argentinas de Chaco y Corrientes, con un cruce sobre el Río Paraná.

ABSTRACT In this work, a quantitative criterion is proposed, from a series of indicators based on fluvial morphological features, in order to systematize the analysis of river reaches in large plain watercourses. The objective is to define dynamically stable sectors, suitable for crossing bridges or other engineering works located on the fluvial environment. The methodological procedure includes estimation of dominant flow, use of hydraulic modeling techniques and multi-temporal analysis of images. The applicability of the criterion is illustrated by a concrete case study, consisting of the study of three alternatives of physical connection between the Argentine provinces of Chaco and Corrientes, with a bridge crossing over the Paraná River.

INTRODUCCIÓN Los grandes ríos de llanura exhiben rasgos morfológicos, aspectos hidrológicos y comportamiento hidráulico altamente complejos. Dadas estas características, los proyectos de cruces o conexiones físicas a través de sus cursos (conjunto cauce – planicie inundable) resultan muy complicados y dependientes de una multiplicidad de factores.

OBJETIVO La finalidad de este trabajo es formular un criterio, el cual estará basado en indicadores de ciertos rasgos fluvio morfológicos mensurables, a fin de sistematizar el análisis de tramos en grandes ríos de llanura, como elemento de ayuda para definir sectores dinámicamente estables, propicios para trazas de enlaces físicos.

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Una vez definido el criterio, se analizarán sus ventajas y limitaciones a través de la aplicación del mismo para el estudio de tres alternativas de conexión física entre las provincias argentinas de Chaco y Corrientes, con un cruce sobre el Río Paraná (Figura 1).

Figura 1. Ubicación del tramo en estudio y los cruces

En la Figura 1 se presenta un croquis de ubicación del segmento del Río Paraná en estudio, en el cual se indican las tres alternativas de traza que se están estudiando para una obra de cruce del sistema “cauce principal + planicie de inundación”.

MATERIALES Y MÉTODOS El estudio se focaliza en un tramo del Río Paraná, próximo a las ciudades de Resistencia (Chaco) y Corrientes (provincia homónima) (Fig. 1). Este segmento pertenece al inicio del denominado “tramo medio” del río, y presenta características fluvio-morfológicas muy particulares, dominadas por el efecto producido por el gran aporte de sedimentos provenientes del Río Paraguay (que a su vez los recibe de la cuenca del Bermejo), cuya confluencia con el Paraná se ubica a pocos kilómetros aguas arriba del segmento de interés. El tramo en estudio ha sido tipificado como “Ba1” en el clasificador de morfología fluvial de Cano (1988) y Halcrow (1992) [citados por Thorne 2002], el cual se caracteriza como “un curso aluvial en equilibrio dinámico, divagando dentro de una banda o franja –planicie de inundación-”. Teniendo en cuenta las características del tramo en estudio, y considerando el esquema metodológico sugerido por Thorne (2002) para el estudio de grandes ríos de llanura, se aplicaron los lineamientos siguiendo el esquema conceptual de análisis propuesto por ese autor. Con la finalidad de aligerar la notación, se consideró conveniente designar a cada una de las 2

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alternativas de cruce de la siguiente manera: (1) NN: alternativa Norte; (2) CC: alternativa central; (3) SS: alternativa Sur. De esta manera, en lo sucesivo, cuando se haga referencia a cada una de las trazas potenciales para el puente se designarán de esa forma (Fig. 1). Respecto a las características hidrológicas del tramo estudiado, se llevó a cabo un estudio de la serie histórica de Niveles y Caudales en la Estación Corrientes. Para este análisis se dispuso de la serie histórica de datos de niveles (y, eventualmente, caudales asociados) en la Estación Hidrométrica Corrientes. La serie de datos diarios cubre el período 1904-2016, totalizando 112 años de registro. Un análisis primario de la información indica que las crecidas más intensas, y por lo tanto las más importantes en cuanto a la generación de procesos morfológicos de relevancia, se presentaron a partir de la segunda mitad del Siglo XX. Por lo tanto, se focalizó el análisis en ese período. De ellas, la más importante ocurrió en el período hidrológico 1982-1983, registrando el caudal máximo estimado a la fecha de 60125 m3/s (18/07/1983). En las figuras siguientes se presentan los hidrogramas (tanto en alturas como en caudales) asociados a la gran crecida de 1982-1983, en la que pueden observarse las secuencias de picos a través del tiempo base que transcurre desde inicios de noviembre de 1982 hasta fines de marzo de 1984.

10.00

Altura HIdrométrica Hc [m]

9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 25/05/1979

06/10/1980

18/02/1982

03/07/1983

14/11/1984

29/03/1986

11/08/1987

29/03/1986

11/08/1987

Figura 2. Crecida de 1983 (Serie 1981-1985). Alturas 70000

60000

Caudal Q [m3/s]

50000

40000

30000

20000

10000

0 25/05/1979

06/10/1980

18/02/1982

03/07/1983

14/11/1984

Figura 3. Crecida de 1983 (Serie 1981-1985). Caudales

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Este aspecto será considerado nuevamente más adelante en este estudio, al analizar la evolución de la geometría hidráulica de la sección transversal de aforos en Corrientes durante esta crecida. Otro aspecto que resulta importante destacar es el cambio de forma experimentado por el hidrograma medio anual para distintos períodos considerados. En efecto, en la figura siguiente (extractada de un estudio reciente de Nones, 2012), se observa como en la segunda mitad del año se produce un incremento significativo (del orden del 20% al 30%) en los caudales medios correspondientes al período 1970-2010 (últimos 40 años), respecto a las tendencias observadas en dos períodos típicos anteriores (1910-1930 y 1930-1970).

Figura 4. Río Paraná en Corrientes. Variación del hidrograma medio anual en el último siglo (Nones, 2012)

Ello justifica nuevamente la consideración de la serie desde 1950 (o 1970) a la fecha como la más representativa en cuanto a crecidas importantes movilizantes de grandes volúmenes de sedimentos que generan procesos morfológicos significativos. La etapa siguiente consistió en la estimación de la función de descarga Q=f(H) y generación de serie cronológica diaria. Considerando la serie total compilada de alturas y caudales en la estación Corrientes, se procedió a estimar la función de descarga, o curva “H-Q” en la sección de aforo, con la finalidad de usar la misma para generar una serie de caudales medios diarios a partir de lecturas diarias de alturas. Para ello, se elaboró un primer diagrama de dispersión con datos simultáneos de lecturas observadas y caudales medidos, los cuales fueron segmentados por tramos en función de rangos de alturas, teniendo en cuenta un criterio de depuración en base a fajas de confianza que permite descartar los valores que se escapaban de la misma por causas de errores difíciles de corregir. Se llevaron a cabo diferentes análisis de los datos de aforos disponibles, encontrándose funciones de ajuste que se presentan a continuación.

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70,000

60,000

Q = 6741.8 e 0.2395 H 2 R = 0.9992

Caudal Q

50,000

40,000

30,000

20,000

Datos usados para el Ajuste 10,000

Datos Medidos Exponencial (Datos usados para el Ajuste)

0 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

Altura en Estación Corrientes H C

Figura 5. Desempeño de la función Q = f(H) exponencial [datos de caudales y alturas, crecida 1982-1983]

70,000

60,000

Q = 27.817 H 4 - 494.77 H 3 + 3563.9 H 2 - 7315.1 H + 14691 R 2 = 0.9997

Caudal Q

50,000

40,000

30,000

20,000

Datos Usados para el Ajuste 10,000

Datos Medidos Polinómica (Datos Usados para el Ajuste)

0 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

Altura en Estación Corrientes H C

Figura 6. Desempeño de la función Q = f(H) polinomial grado 4 [datos de caudales y alturas, crecida 1982-1983]

Puede observarse que el desempeño es razonablemente bueno para ambas funciones, sobre todo si se tiene en cuenta que los datos observados corresponden a una situación de crecida, en la cual resulta lógico que se observen leves subestimaciones de caudal para niveles elevados del río. Con esta información se realizó una modelación hidráulica simplificada del tramo en torno a la sección de Corrientes, con el cálculo del transporte de sedimentos en la misma. Ante la carencia de valores medidos (en un rango de valores estadísticamente significativos) de las tasas de transporte de sedimentos en el tramo, aspecto esencial como forzante dinámico y generador de los procesos morfológicos y condiciones de estabilidad en el tramo, se procedió a llevar a cabo una modelación simplificada de un segmento representativo del río a los fines de estimar la capacidad de transporte de material sólido. Para ello, uno de los datos básicos 5

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necesarios lo constituyen las características del material sedimentario presente en el lecho fluvial y factible de ser puesto en movimiento en forma de transporte (tanto como carga de lecho, como material en suspensión). El análisis de distintas fuentes de información (e.g., en el libro publicado por la FICH-UNL (2000), en el capítulo referido a “Geomorfología del cauce principal”, Ramonell et al. (2000) citan un trabajo de Ramonell y Montagnini (1999), en el que se presenta una curva granulométrica representativa del tramo medio; en un trabajo más reciente, Minetti y Werlen (2005) llevaron a cabo un muestreo exhaustivo de material del lecho en la zona de la Isla Guáscara, casi en coincidencia con el extremo superior del tramo en estudio), llevó a adoptar la siguiente curva granulómetrica representativa del material en el tramo en estudio (los detalles se discuten en Farias (2016). 100.00

Porcentaje más Fino P i

90.00 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00

Envolvente Inferior Envolvente Superior

10.00

Curva Media

0.00 0.010

0.100

1.000

10.000

Tamaño del Sedimento di [mm]

Figura 7. Curva granulométrica media, delimitada por las envolventes del tramo en estudio

Cotas (Escala Corrientes) [m]

10.00

5.00

0.00

-5.00

-10.00

-15.00

-20.00 0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

1400.00

1600.00

Distancia desde MI [m] Cauce Jul-80

Cauce Abr-83

Cauce Ago-84

Nivel de Agua Jul 1980

Nivel de Agua Abr 1983

Nivel de Agua Ago 1984

Figura 8. Evolución de la Sección Transversal del Cauce en la Estación Corrientes (1980 ~ 1984)

El análisis de la geometría hidráulica de la sección Corrientes se llevó a cabo teniendo en cuenta los estudios de Rayano (2003), en los que se detallan las características de la misma para diferentes condiciones de caudales en el río, y su evolución a través del tiempo. Este último aspecto se sintetiza en la figura 8.

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En cuanto a la pendiente longitudinal del cauce en el tramo en estudio, de acuerdo a las mediciones reportadas por Rayano (2003), la misma varía entre 5.18 y 5.75 cm/km. Este dato es coincidente con el que resulta de los estudios de Nones (2012), en los que se ha encontrado para la pendiente el valor: S = 5.8 cm/km. Con la información de base previamente compilada se procedió a llevar cabo una modelación simplificada de un segmento del cauce con la finalidad de poder estimar una función de transporte de sedimentos lo suficientemente aceptable como para poder ser empleada en el cálculo del gasto dominante. Para ello, se aplicó el modelo HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center – River Analysis System) del USACE (United States Army Corps of Engineers) a un segmento del río de 2000 m de longitud con la sección Corrientes como geometría característica. Se adoptaron 10 caudales de referencia, usando la relación altura-caudal para los gastos de 18250 m3/s y 36939 m3/s para llevar a cabo una pseudo-calibración del coeficiente de rugosidad de Manning. La pendiente usada para generar las condiciones de borde del modelo fue de: S = 5.78 cm/km. Existen varias investigaciones previas sobre el transporte de sedimentos en el curso medio del Río Paraná, en las que se recomienda el empleo de la fórmula de Engelund & Hansen [E&H] (predictor de carga total), que ha demostrado comportarse adecuadamente para el Río Paraná en su curso medio (e.g., Amsler & Prendes, 2000). Además la misma utiliza explícitamente tanto la velocidad como la tensión de corte para expresar la tasa de transporte unitaria, la que en términos de cantidades adimensionales, se expresa de la siguiente manera:

qS*  0.05C* * 2

5/ 2

donde qS* : es el transporte adimensional de Einstein [qS*=qS/(g  d3)1/2], C*=V/U* : es el coeficiente adimensional de resistencia al flujo de Chézy * = /(s-)d : es el parámetro de Shields. A los efectos de poder cuantificar la relación entre gasto sólido y caudal líquido, es decir, Qs = F(Q) , se procedió a llevar a cabo una modelación simplificada del tramo de curso fluvial que incluye a la sección correspondiente a la estación hidrométrica de Corrientes. Puesto que el modelo HECRAS dispone como opción de la fórmula de E&H, con los datos de flujo y la curva granulométrica antes presentada se obtuvo la relación que se presenta a continuación.

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Función de Transporte, Qs = f (Q) [ Fórmula Engelund-Hansen ] 400000

Caudal Sólido, Qs [Ton/Día]

350000

Qs = 0.0095 Q 1.6528 2 R = 0.9999

300000

250000

200000

150000

100000

50000

0 0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

Caudal Líquido, Q [m3/s]

Figura 9. Ajuste de la función de transporte sólido obtenida con la modelación con HECRAS a una ecuación potencial

Para la evaluación del caudal dominante (QD), se aplicó un criterio basado en los denominados “Métodos Morfológicos”, que son los que consideran fundamental el aspecto referido al transporte sólido y en este caso se iguala el caudal dominante al caudal efectivo. Es decir, tienen en cuenta aquella descarga capaz de transportar el máximo gasto sólido. En este grupo se incluyen los métodos de Schaffernak y Komura (Farias, 2005). Estas son las metodologías más racionales para estimar el caudal dominante, aunque poseen una componente empírica asociada por un lado a la función de transporte sólido usada y por otro a la ley de frecuencias que ajusta los valores de caudales líquidos. En virtud de ello, los valores estimados de QD son sensibles a la función de transporte y las singularidades de la ley de frecuencia (incluyendo la cantidad de intervalos de clase en que se segmenta la serie cronológica de caudales líquidos para su análisis). Recientemente, Goodwin (2004) ha presentado un procedimiento analítico para la implementación de estas metodologías basada en funciones típicas de transporte y en leyes teóricas de probabilidades, encontrándose que en forma genérica puede expresarse a QD como una función: QD=fQD(b, i, j) donde: b : es el exponente de la función empírica QS = a.Qb, i : son los descriptores estadísticos característicos -posición, dispersión, asimetría- de la distribución de probabilidades (por ejemplo, la media Q o la desviación estándar Q) j : son parámetros típicos de la distribución empleada (e.g., Gamma, log-Pearson, etc.).

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A partir de estas definiciones, en el contexto del presente trabajo, se considerará al caudal dominante (QD) como aquel caudal teórico que fluyendo en régimen permanente y uniforme, es capaz de producir el mismo efecto morfológico sobre el cauce (en términos del modelado de la sección transversal y patrón de alineamiento en planta) que la secuencia natural de flujos hidrológicamente variables a lo largo de la historia geomorfológica del río. Expresando matemáticamente este concepto, se obtiene: t2

 Q(t)  Q (t)  dt S

QD 

t1 t2

 Q(t)  dt t1

donde Q indica el caudal líquido, Qs caudal sólido (carga total de material del lecho) y el lapso de tiempo (t2 - t1) debe ser lo suficientemente largo como para garantizar que durante el mismo hayan acontecido una cantidad de eventos (en términos de transporte sólido) suficientemente representativos de la hidrología de la cuenca. La ecuación anterior puede obtenerse a partir de la integración de la ecuación de continuidad sedimentológica sobre el intervalo (t2-t1), tal como ha sido presentado por Jansen et al. (1979), aunque con modificaciones respecto al caso anterior, ya que esos autores consideran en definitiva el nivel del flujo asociado al caudal dominante. Al calcular el caudal dominante con el Método de Komura, y al discretizar las integrales a través de sumatorias, teniendo en cuenta que en este caso se dispone de registros de caudales medios diarios (es decir, a intervalos t = 1 día = 24 hs = 86400 seg) a lo largo de un período tr = t2 – t1, el número de registros disponibles de datos de caudal Q (y por añadidura de gasto sólido Qs) será: Nr = tr/t. Entonces: Nr

QD 

 Q Qs t i 1 Nr

i

i

 Qs t i 1

i

Nr



t  Qi Qsi i 1 Nr

t  Qsi

Nr



 Q (a Q

b

 (a Q

)

i 1 Nr

i 1

i

i

i

i 1

b

Nr

) 

a  Qi i 1 Nr

Nr

b 1

a  Qi b



Q i 1 Nr

i 1

b 1

i

Q i 1

b

i

Es decir, cuando se dispone de una relación “gasto sólido – caudal líquido” de tipo potencial, Qs = a Qb , la fórmula de Komura para el caudal dominante resulta: Nr

QD 

Q i 1 Nr

b 1

i

Q i 1

b

i

donde “b” es el exponente de la función de calibración de transporte sólido. Tal como se ha indicado en la sección precedente, a través de la modelación con HEC-RAS, el cálculo de la relación Q-Qs con la formulación de Engelund & Hansen, y el ajuste de esta

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función a una ecuación potencial, se obtuvo: b = 1.6528. Realizando los cálculos correspondientes para el período 1950-2014 se obtuvo el valor del caudal dominante: QD = 22016 m3/s En cuanto a estudios previos del caudal dominante del Río Paraná en el tramo en estudio, de acuerdo con Rayano (2003), en un estudio geomorfológico realizado por Toniolo (1999), se calcularon los caudales dominantes para la sección Corrientes, empleando el método de Schaffernak y la fórmula de Engelund-Hansen para la carga material de fondo. Se ajustaron las funciones “altura hidrométrica (Hpc)” versus “área transversal A”, y Hpc vs. “profundidad media (h)”. Para cada caudal medio en que se dividieron los subperíodos de la serie completa se determinaron A (área) y h correspondientes al caudal, utilizando, además, la ecuación de continuidad y la curva de descarga. Con el predictor de Fedele (1995) del valor n (rugosidad de Manning) se ajustaron pares de valores de n vs. h, utilizados para calcular la pendiente (despejando de la ecuación de Manning). Los caudales dominantes determinados de esta forma para la sección Corrientes (1904-1990) se resumen en la tabla siguiente. Tabla 1. Caudales dominantes del Río Paraná en Corrientes, para distintos períodos

Período

Caudal Dominante [m3/s]

1904-1920 1920-1931 1932-1969 1970-1980 1981-1990

18489 21550 15424 18315 24467

Estos valores resultan entre un 9% y un 19% superiores a los caudales medios, aunque en algunos casos son prácticamente coincidentes (período 1932-69). Si se comparan estos valores de gasto dominante con el obtenido en el presente estudio (QD = 22016 m3/s) , se puede observar que el mismo se aproxima al de la década de 1920 (diferencia: +2.16%), y también al promedio de los de la década de 1970 y 1980 (diferencia: +2.92%). Estas diferencias pueden considerarse prácticamente marginales si se tienen en cuenta las incertidumbres habitualmente asociadas a la estimación de la función de transporte de sedimentos, por lo que puede considerarse como adecuado el valor calculado en el marco del presente estudio. Este valor de gasto dominante fue tenido en cuenta en el proceso de selección de imágenes satelitales representativas para la valoración de la estabilidad morfológica del tramo en estudio. Luego del análisis general de las características del segmento del Río Paraná en estudio, y habiendo estimado el gasto dominante, se procedió a seleccionar una serie de imágenes satelitales representativas del comportamiento morfológico del tramo en las últimas décadas. Luego de considerar unas 50 escenas con posibilidades de ser incorporadas al análisis, se seleccionaron finalmente 8, cuyas propiedades se detallan a continuación.

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Tabla 2. Listado y Características de Imágenes Satelitales usadas en el Análisis Fluvio-Morfológico

Imagen Tipo

Resolución

Fecha

mxm

Landsat 1 MSS Landsat 2 MSS Landsat 5 TM Landsat 5 TM Landsat 5 TM Landsat 5 TM Landsat 5 TM Landsat 8 OLI Nota:

79 x 79 79 x 79 30 x 30 30 x 30 30 x 30 30 x 30 30 x 30 30 x 30

20/10/1976 06/02/1982 27/01/1986 28/01/1992 27/10/1998 27/10/2004 13/11/2010 19/05/2015

xxxxx: xxxxx:

Hc

Q

m

m3/s

4.10 5.06 2.18 3.53 6.74 4.45 3.48 3.75

18369 23062 11184 15834 33204 20021 15645 16787

Dato Calc c/ ajuste polinomico grado 4

A fin de poder establecer la condición hidrológica del río asociada a cada escena, luego de una inspección de la serie cronológica de caudales, se pudo confeccionar el gráfico siguiente.

35000

Caudal Dominante + 50%

Caudal Q [m3/s]

30000 25000

Caudal Dominante

20000 15000 10000

Caudal Dominante - 50%

5000 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Imagen Número ( NI )

Figura 10. Relación entre las 8 imágenes satelitales seleccionadas y los caudales circulantes por el río en el instante de la captura

En el mismo, se indica la faja correspondiente al gasto dominante +/- 50% y puede observarse que todas las escenas quedan contenidas en la misma, con lo cual se garantiza la representativa de las imágenes en relación con los objetivos del estudio. En el caso tratado en el presente análisis (Río Paraná entre el tramo próximo a la sección Chaco-Corrientes), se usaron imágenes satelitales de distintos orígenes y resoluciones. Para cada una de ellas (que se detallaron previamente), uno de los aspectos fundamentales lo constituye la fecha de captura de cada una, lo cual permite conocer la condición hidrológica del río en el instante correspondiente, disponiendo de la serie cronológica de de alturas y las correspondientes relaciones altura-caudal. Este aspecto permite catalogar las imágenes y se puede simbolizar cada una de ellas como sigue: IM { t [Q (h) ] } donde 11

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IM: imagen; t: tiempo (fecha); Q: caudal; h: tirante (o nivel del flujo). Es decir, cada imagen (IM) está asociada a un instante t, en el cual escurre por el río un caudal Q con un nivel del flujo h. En la Figura siguiente se presenta un esquema de la sección de un río (sistema ‘cauceplanicie’) y se consignan los niveles característicos que es necesario considerar en el análisis de ríos.

Figura 11. Esquema de la sección transversal de un río de llanura con los niveles característicos.

La utilización de tecnologías de percepción remota es una herramienta de gran valía para el mapeo de ríos y elaboración de cartografía digital de base para el estudio de las características morfológicas de sistemas fluviales. Estas técnicas se han desarrollado considerablemente durante las últimas cuatro décadas, y en la actualidad se puede disponer de manera relativamente fácil y expeditiva de estos recursos a través de Internet. Para la confección de los mapas vectoriales se aplicó ARCGIS versión 9.3 y consistió en la compilación de imágenes de distintas épocas con condiciones hidrológicas variadas (alrededor del caudal dominante, en una franja máxima de +/- 50%), sobre las que se delinearon los polígonos correspondientes a las márgenes activas para caudales morfológicamente dominantes (asociados a niveles próximos al umbral de desborde). Posteriormente se superpuso la información digitalizada y mediante una técnica de intersección y adición de atributos se determinaron las zonas, que presentaban mayor frecuencia en cuanto a la presencia de flujo activo (agua en superficie) en ese sector. De esta manera se fueron componiendo los diferentes sectores del curso con las zonas de mayor frecuencia y por lo tanto de máxima estabilidad morfológica relativa. En relación al Sistema de Referencia y Coordenadas, es importante mencionar que para toda la información ya sea Raster (imágenes) como Vectorial (shapes), el sistema de referencia utilizado fue POSGAR 94.

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Para el análisis multitemporal de imágenes, que permitiera visualizar la evolución del curso fluvial (desde el punto de vista planimétrico) a lo largo de 40 años (1976-2016), se compilaron alrededor de 50 escenas, de las cuales fueron usadas finalmente 8, más varias escenas de GOOGLEEARTH y dos cartas topográficas y batimétricas del IGM y de la DNVN, respectivamente. En todos los casos se seleccionaron imágenes con bajos niveles de nubosidad y, en la medida de lo posible, se procuró que las condiciones hidrológicas en el río correspondieran aproximadamente a caudales dominantes, asociados a niveles de la superficie libre próximos al umbral de desborde o “bankfull” (+/- 50%). Una vez compiladas las escenas, y luego de su geo-referenciación y procesamiento primario, se procedió a digitalizar las trazas de los cauces activos detectados en cada de una de ellas y luego llevar a cabo la superposición para evaluar los desplazamientos relativos y las tasas de migración observadas entre los años analizados. El análisis posterior consistió en identificar las áreas de superposición de las trazas de flujo activo, asignándoles valores crecientes de frecuencia en la medida que crecieran los eventos de superposición. En efecto, un área que haya sido ocupada por tres polígonos superpuestos en otros tantos años, indica que en esos años las zonas de flujo activo del cauce se ubicaron en ese sector. De esta manera, resulta evidente que este criterio se puede usar como un indicador de la presencia del cauce activo un determinado número de ocasiones a lo largo del intervalo de tiempo analizado, y, por lo tanto, un indicador de estabilidad fluvial en ese sector (Brice, 1982). El resultado final del procesamiento se presenta en las figuras 12 a 14, con la escala de estabilidad codificada en colores del verde (mínimo) al rojo (máximo) [ 1 < F < 8 , en este caso, donde F es la frecuencia]. En el primer caso se superponen los trazos vectoriales sobre la imagen general del tramo global, ubicándose los 3 sectores de análisis. En el caso de las láminas que se anexan, se presentan por separado cada uno de los segmentos propios de cada sector seleccionado para el análisis. Obviamente, el valor absoluto de la frecuencia máxima (Fmax) depende del número final de escenas que se hayan seleccionado para ser incluidas en el análisis. Teniendo en cuenta las escalas de tiempo involucradas, las cuales deberían ser de un orden de magnitud equivalente a las evoluciones morfológicas apreciables (es decir, de 40 a 100 años, aproximadamente) se obtiene el valor de Fmax que represente razonablemente bien esos cambios morfológicos, aunque no hay una regla fija en este sentido. La mayor disponibilidad de escenas consideradas le otorgará un mayor rango a F. El análisis multi temporal de imágenes permitió caracterizar y tipificar rasgos fisiográficos dinámicos, que a su vez posibilitan la inferencia de tendencias evolutivas y comportamiento dinámico del segmento de río próximo a la sección de cruce bajo análisis (para condiciones de flujo dominante). De esta forma, pueden elaborarse indicadores de estabilidad morfológica relativa, que a su vez sirvan como elemento de ayuda para jerarquizar cada una de las trazas potenciales en cuanto a su conveniencia desde el punto de vista fluvio-morfológico. Los rasgos morfológicos se analizaron teniendo en cuenta dos dominios espaciales diferenciados, 13

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a saber: (i) Campo cercano; (ii) Campo extendido. El primero de ellos (“campo cercano”) corresponde a una sub-área cuasi-cuadrangular, en la cual el eje de la traza se ubica como una especie de mediatriz de ese cuadrángulo, y se incorpora una franja hacia aguas arriba del orden del semi-ancho del sistema “cauce activoplanicie”. Hacia aguas abajo del eje, el área a considerar se define con un criterio similar. El “campo extendido” se corresponde con un área más elongada, en la que se consideran tres anchos hacia aguas arriba y dos hacia aguas abajo, totalizando una longitud de cinco anchos a lo largo del eje del cauce. En una primera instancia se analizaron los procesos morfológicos que se logran inferir de las escenas multi temporales en la escala de campo extendido y luego se refina el análisis en el campo cercano. Los rasgos considerados fueron los siguientes: (a) Alineamiento en planta (se aplica al eje del flujo principal, e incluye rectitud, sinuosidad, esviaje/oblicuidad entre líneas de corriente y eje de traza). (b) Patrón de flujo planimétrico (incluye tendencias al desarrollo de meandros, si el curso es proclive a la bifurcación del flujo, grado de amostomosamiento). (c) Variabilidad longitudinal del ancho del cauce activo (para las condiciones de flujo formativo, se considera esta variabilidad en el dominio de campo lejano). (d) Desarrollo de curso unifilar o multi-cauce (incluye la evaluación de las tendencias observadas a formar bancos sedimentarios, barras alongadas e islas, considerando su permanencia en el tiempo). (e) Tendencias a la movilidad lateral del thalweg (se evalúa esta característica sobre la base de escalas de tiempo del orden de las décadas, teniendo en cuenta la disponibilidad de imágenes satelitales y cartas topográficas y de navegación antiguas). (f) Tendencias a la erosión de márgenes (se aplica sobre el dominio de ambos campos – cercano y extendido- y ello involucra tanto erosión de una margen o ambas –tendencia al ensanchamiento-).

EVALUACIÓN DE RESULTADOS Sobre la base del análisis dinámico de todos estos elementos fluvio morfológicos se confeccionó una matriz de valoración, asignándole a cada uno de ellos un factor de ponderación establecido en función de su importancia relativa en relación al equilibrio dinámico (y por ende el grado de estabilidad morfológica) global para cada una de las alternativas de cruce (Tabla 3). De acuerdo al análisis del conjunto de recursos cartográficos y de percepción remota compilados en el marco del presente estudio, pueden destacarse los aspectos siguientes en cuanto al grado de estabilidad morfológica del río en cada uno de los segmentos asociados a las alternativas consideradas. Tabla 3.- Matriz de cuantificación de los aspectos fluvio morfológicos evaluados para cada cruce

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Item

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Criterio de Valoración

Alternativa de Cruce NN

CC

SS

Factor de Ponderación

a

Alineamiento en Planta

9

6

8

16

b

Patrón de flujo planimétrico

8

6

7

16

c

Variabilidad longitudinal del ancho del cauce activo

7

5

6

12

d

Desarrollo de curso unifilar o multicauce

9

5

7

22

e

Tendencias a la movilidad lateral del thalweg

8

6

8

18

f

Tendencias a la erosión de márgenes

8

7

7

16

8.26

5.82

7.22

100

TOT

Calificación Final

En el segmento de influencia de la Alternativa Norte (NN), el Río Paraná exhibe un grado de estabilidad dinámica moderadamente persistente a lo largo de las últimas décadas. En el lapso temporal que transcurre desde mediados del Siglo XX hasta la actualidad (~ 65 años) no se han desarrollado procesos morfológicos significativamente apreciables, que hayan afectado los parámetros morfométricos dominantes, no obstante la ocurrencia en este período de las crecidas más importantes, tal como se menciona en la revisión de los antecedentes hidrológicos. Esta situación se manifiesta prácticamente para todo el dominio de análisis. Debe destacarse que en el extremo inferior del dominio de “campo lejano” se han observado procesos morfológicos importantes, que comienzan a manifestarse con una marcada actividad morfodinámica unos ~ 3000 metros aguas abajo de la sección de cruce, es decir, unos dos anchos de la sección activa (del orden de ~ 1500 metros). Sin embargo, se estima poco probable el avance hacia aguas arriba de estas perturbaciones, al menos en las próximas décadas. El cruce NN se ubica inmediatamente aguas abajo de las islas Guascaras, en una región en la que la mecánica del transporte de sedimentos, factor de incidencia significativa sobre los procesos morfológicos del curso, está aún muy controlada por el efecto del influjo dramático de carga sedimentaria aportada por el Río Paraguay (receptor del Río Bermejo) sobre margen derecha, cuya confluencia se ubica unos pocos kilómetros aguas arriba de este cruce. Analizando la secuencia de imágenes (y también en base a lo observado en las visitas de campo) puede apreciarse que la pluma de sedimentos aportada por el Paraguay (fracciones finas en suspensión y carga de lavado), aún no alcanza a mezclarse totalmente con el flujo dominante, y viaja una larga trayectoria recostada sobre el flanco próximo a la margen derecha.

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Figura 12.- Alternativa NN. Mapa de permanencia de flujos (período 1976-2015)

En cuanto a la alternativa central (CC), la misma se ubica en una región con una marcada actividad morfodinámica del cauce. En efecto, si se consideran los resultados del análisis multi-temporal llevado a cabo, se observan importantes procesos de erosión / sedimentación en diversos sectores. El segmento del curso fluvial correspondiente a esta alternativa se ubica en la zona del conjunto de islas denominadas “La Palomera”. La sección CC se ubica en una región en la que los sedimentos transportados comienzan a depositarse, pero son movilizados nuevamente en situaciones de crecida, generando una zona de bancos sedimentarios e islas altamente inestables. En el período analizado para observar alteraciones morfológicas en lapsos de varias décadas (~ 1950-2015), se han detectado manifestaciones importantes en cuanto a procesos morfológicos relativos a evoluciones de islas y barras sedimentarias, y también en cuanto a movilidad lateral del thalweg. En efecto, en el conjunto de islas y barras asociadas a las “Islas La Palomera” se aprecian cambios significativos en relación a su geometría lobular elongada (alteraciones de factores de forma) y erosiones de márgenes, inclusive fragmentación de barras longitudinales cuasiconsolidadas. En el mapa de frecuencia de permanencia del flujo pueden apreciarse importantes fragmentaciones y discontinuidades en las “manchas” asociadas a la frecuencia máxima (F = 8), lo cual evidencia cambios en las posiciones del thalweg a través de los diferentes intervalos de tiempo del análisis. En efecto, el estudio detallado de los mapas ha demostrado un corrimiento del thalweg, el cual se ubicaba sobre el flanco de margen izquierda a mediados del siglo XX y en las últimas décadas se ubica sobre el flanco de margen derecha. Asimismo, el ancho agregado de las ramas activas del curso fluvial se ubica entre ~ 7600 m y ~ 7900 m, valor muy elevado en relación al ancho medio de los sub-segmentos de cauce uni16

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filar detectados a lo largo del tramo en estudio.

Figura 13.- Alternativa CC. Mapa de permanencia de flujos (período 1976-2015)

Figura 14.- Alternativa SS. Mapa de permanencia de flujos (período 1976-2015)

La Alternativa Sur (SS) se encuentra ubicada en una sub-región con actividad morfodinámica moderada a media, caracterizada por la aparición y desarrollo en las últimas décadas de ciertas geoformas asociadas a procesos vinculados a la estabilidad lateral del curso en ese sector.

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En efecto, en el horizonte temporal de análisis (~ 1950-2015) se ha detectado que hacia mediados del siglo XX el curso discurría en ese sector a través de un cauce principal único. Aparentemente, a lo largo de la década de 1960 comenzó a reactivarse un distributario lateral sobre el flanco de margen derecha de la planicie inundable, con la embocadura de desprendimiento del cauce principal localizada unos ~4 km aguas arriba de la sección de cruce “CC”. El mismo fue evolucionando y adquiriendo una geometría hidráulica apreciable para finalmente terminar de formar una isla en forma de lóbulo elongado sobre el flanco de margen derecha, con barras sedimentarias asociadas de grandes dimensiones, y en proceso de consolidación. Esas barras laterales muestran una marcada actividad en las últimas décadas, y la tendencia observada indica una alta probabilidad que ese patrón de comportamiento siga repitiéndose en las próximas décadas.

CONCLUSIONES En este estudio se ha presentado una serie de análisis para evaluar y caracterizar las condiciones estabilidad morfológica en un tramo del Río Paraná, próximo a las ciudades de Resistencia (Chaco) y Corrientes (provincia homónima). Este segmento pertenece al inicio del denominado “tramo medio” del río y presenta características fluvio-morfológicas muy particulares, dominadas por el efecto producido por el gran aporte de sedimentos provenientes del Río Paraguay (que a su vez los recibe de la cuenca del Bermejo), cuya confluencia con el Paraná se ubica a pocos kilómetros aguas arriba del segmento de interés. Mediante una segmentación del tramo en estudio se han identificado tres sectores asociados a los segmentos de influencia (campo próximo y campo lejano) de las tres alternativas de cruce que se han planteado para una nueva conexión vial entre Chaco y Corrientes. El cruce Norte, ubicado en un estrechamiento natural del cauce inmediatamente aguas abajo de las islas Guascaras, muestra indicios de una estabilidad relativamente alta en las últimas cuatro décadas. La sección correspondiente al cruce Central se ubica en una región en la que los sedimentos transportados comienzan a depositarse, pero son movilizados nuevamente en situaciones de crecida, generando una zona de bancos sedimentarios e islas altamente inestables, con marcadas tendencias a desarrollar variaciones del thalweg y cauces múltiples. El segmento de curso fluvial en que se emplaza la sección Sur exhibe procesos de cierta inestabilidad, con una actividad incipiente de formación de barras laterales, aunque estos procesos morfológicos resultan ‘más moderados’ que en la zona del cruce de la alternativa Centro. La calificación cuantitativa basada en los criterios de estabilidad morfológica ha arrojado como resultado una jerarquización de las distintas alternativas en términos de su grado de movilidad fluvial, basado en la frecuencia de permanencia del curso para condiciones de flujo dominante.

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Los análisis morfológicos han demostrado el acentuado grado de inestabilidad morfológica del sector en que se ubica la traza correspondiente a la alternatica centro, en la que se han verificado recurrentes migraciones laterales del thalweg, acompañadas por deformaciones geométricas significativas (desplazamientos y cambios de tamaño) de bancos e islas en ese sector. En virtud de los resultados obtenidos en el marco del presente estudio, se recomiendan como alternativas viables para la construcción de un puente (o enlace ferro-vial) a los cruces Norte (NN) y Sud (SS), en ese orden de prelación. El cruce Centro (CC) exhibe marcadas tendencias a experimentar procesos morfológicos en gran escala espacial y con alteraciones notables en la escala de las décadas, aspecto que se ha manifestado en forma documentada en los últimos cien años. Resulta altamente probable que se repitan los eventos de desplazamientos laterales del tahlweg y migraciones/deformaciones de islas y bancos sedimentarios en el corto a mediano plazo en el futuro, dependiendo fundamentalmente de la hidrología y del comportamiento sedimentológico del sistema fluvial del Río Paraguay, que abastece de material sólido (en un gran porcentaje) a este segmento del Río Paraná. Por los motivos antes apuntados, desde el punto de vista estrictamente relacionado con la dinámica fluvio-morfológica en el sector, resulta poco aconsejable la construcción de un puente en la zona indicada como cruce Centro (CC).

LISTA DE SÍMBOLOS A:

Área de la sección transversal del flujo

ai :

Constantes (i = 1, 2, 3, ... )

B:

Ancho del cauce (a nivel del lecho)

b:

Exponente de la función empírica QS=a.Qb

cj :

Constantes (j = 1, 2, 3, ... )

CS :

Concentración total de sedimentos

d:

Tamaño mediano de las partículas de sedimento (d = d50)

d* :

Parámetro adimensional de partícula (=[(g./2)1/3.d])

f:

Frecuencia

g:

Aceleración de la gravedad

H:

Profundidad media del flujo en una sección estable

h:

Profundidad local del flujo

ki :

Constantes (i = 1, 2, 3, ...)

P:

Perímetro mojado

q:

Caudal líquido unitario

Q:

Caudal líquido

QD :

Caudal dominante

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QB :

Caudal líquido a nivel del umbral de desborde (bankfull)

QS :

Caudal sólido

R:

Radio hidráulico

S:

Pendiente del lecho

t:

Tiempo

To :

Tiempo de referencia

U* :

Velocidad de cizallamiento

V:

Velocidad media del flujo

Vc :

Velocidad media del flujo crítica para el inicio de arrastre de sedimentos

:

Densidad relativa del sedimento sumergido [= (s-)/ ]



Factor de frecuencia de gastos sólidos



Viscosidad cinemática

j :

Parámetros típicos de la distribución de frecuencias (e.g., Gamma, log-Pearson, etc.).

:

Viscosidad dinámica

:

Densidad del fluido

s :

Densidad del sedimento

i :

Descriptores estadísticos característicos -posición, dispersión, asimetría-

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Alarcón, J. J.; Szupiany, R.; Montagnini, M. D.; Gaudin, H.; Prendes, H.; Amsler, M. (2003). “Evaluación del transporte de sedimentos en el tramo medio del Río Paraná”. Nuevas Tendencias en Hidráulica de Ríos. J. D. Brea, H. D. Farias, M. T. Pilán, P. Spalletti, S. Loschacoff, M. Busquets, P. Ormazábal (Eds.). Memorias del Primer Simposio Regional sobre Hidráulica de Ríos (RIOS 2003), Bs.As., Argentina. Amsler. M., Prendes. H. (2000). “Transporte de sedimentos y procesos fluviales asociados”. pp 233-306. en: Paoli, C., Schreider, M. (Editores): El Río Paraná en su tramo medio. Contribución al conocimiento y prácticas ingenieriles en un gran río de llanura, Tomo 1. Centro de Publicaciones, U.N.L., Santa Fe, Argentina. 307p. Amsler, M.L. & Drago, E.C. (2009). “A review of the suspended sediment budget at the confluence of the Paraná and Paraguay Rivers”. Hydrological Processes. Special Issue: Flow and Sediment Dynamics of Large Rivers. Volume 23, Issue 22, pages 3230–3235, 30 October 2009. Biedenharn, D.S. and R. R. Copeland (2000). "Effective Discharge Calculation". Hydraulic Engineering Technical Note ERDC/CHL HETN-II-4, U.S. Army Engineer Research and Development Center,Viksburg, MS, USA.

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