ecohidráulica y restauración de recursos hídricos...restauración de humedales motivación y...
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Ecohidráulica y Restauración de Recursos Hídricos
José F. Rodríguez
Organización
• El enfoque ecohidráulico• Restauración de humedales
para mejorar el hábitat de aves migratorias.
• Restauración de ríos para mejorar el hábitat de peces.
El enfoque ecohidráulico
• Permite predecir disponibilidad de hábitat físico
• Asume que los factores hidráulicos son predominantes en el desarrollo de determinados procesos ecológicos
• Requiere enfoque interdisciplinario
Restauración de humedalesMotivación y antecedentes
Aves migratorias
• Viajan enormes distancias entre lugaresde cría y alimentación
• Hábitat– alimentación en planicies pantanosas
intermareales y humedales efímeros– descanso en áreas abiertas, aguas
poco profundas– amenazas
• desarrollo humano sobre zonascosteras
• aumento del nivel del mar• Protección:
– Acuerdos internacionales y bilaterales(Ramsar, CAMBA, JAMBA)
– Legislación australiana.
Motivación y Antecedentes
• Uno de los sitios másimportantes para avesplayeras en Australia
• ~ 3000 ha hábitatconservado
• Terminal de carbón másgrande del mundo
• Ciudad regional másgrande en Australia’s
• Intereses múltiples• Demandas sobre el uso
del suelo conflictivas
Base map source: NRMA 2005
Base map source: NCC 2004
AREA DEL ESTUDIO
Estuario del Río Hunter
Hunter R
iver South Arm
Waste Emplacement
Facility
Port
War
atah
Rail
way
Water Supply Pipeline
Area E 1993
Wader CkFis
h Fry
Ck
Aerial Photo: BHP 1993
Former Migratory Shorebird Habitat
(124 ha )
Hunter R
iver South Arm
Waste Emplacement
Facility
Port
War
atah
Rail
way
Water Supply Pipeline
Area E 2004
Wader CkFis
h Fry
Ck
Aerial Photo: AAM Hatch 2004
Migratory Shorebird Habitat
Objetivos• caracterizar los parámetros hidráulicos propicios para el
desarrollo del hábitats estuarino• desarrollar herramientas para simular la respuesta de la
vegetación a escenarios hipotéticos de manejohidráulico
• determinar el régimen hidráulico necesario paradesarrollar y mantener hábitat para aves playeras
• focalizar en el Area E y después generalizar a otrossitios en the estuario
Wader CkFis
h Fry
Ck
Aerial Photo: AAM Hatch 2004
Distribución de Vegetación
Wader Ck
Fish F
ry C
k
Aerial Photo: AAM Hatch 2004
Distribución de Vegetación
0
10
20
30
40
50
60
Saltmarsh Mangrove Open water/mudflat
Pasture Freshwatermarsh
Infrastructure
Are
a (h
a) 1993 (ha)1998 (ha)2004 (ha)
Marismasalada
Manglar Planiciepantanosa
Pastura Marismadulce
Infraestructura
Análisis Estadístico(ANOVA, regresión múltiple y PCA)
• Vegetación (altura, diámetro, densidad de tallos)
• Propiedades hidráulicas (hidroperíodo, rango de marea, velocidad, materia sólida suspendida)
• Topografía (elevación)
• Propiedades del suelo (tamaño de partículas, densidad, pH, conductividad, carbón orgánicototal)
Hunter R
iver South Arm
Water Supply Pipeline
Sitios de sampleo
Wader Ck
Fish Fry Ck
m mangrove mf mudflatow tidal poolsas sarcocornia saltmarshsp sporobolus saltmarshms mixed saltmarsh
Vegetación (altura, diámetro, densidad de tallos)
0
50
100
150
200
250
Sporobolusvirginicus
Sarcocorniaquinqueflora
A. marinaneumatóforas
A. marinajuveniles
A. marinaadultos
Diam
etro
(mm
) y A
ltura
(cm
)
0100020003000400050006000700080009000
Dens
idad
(tal
los/
m2)
Altura media (cm)Diámetro (mm)Densidad (tallos /m2)
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
10/09/04 17/09/04 24/09/04 1/10/04 8/10/04 15/10/04 22/10/04 29/10/04 5/11/04
Date
Wat
er L
evel
(mA
HD
)
0
20
40
60
80
100
120
140
Rai
nfal
l and
Eva
pora
tion
(mm
)
Fish Fry Creek Water LevelWader Pond Water LevelRainfall Evaporation
Rango de marea no atenuado ~ 1.6mRango de marea atenuado ~ 0.3m
Rango de marea (Sep-Nov 04)N
ivel
(mA
HD
)
Evap
orac
ion
y llu
via
(mm
)
Nivel en canal Fish FryNivel en laguna WaderPrecipitacionEvaporacion
Fecha
Hunter R
iver
Port
War
atah
Rail
way
Water Supply Pipeline
Compartimientos hidráulicos
Wader CkFis
h Fry
Ck
Aerial Photo: AAM Hatch 2004
8.5m x 1.5m puente
0.45m Øalcantarilla
Alcantarillas
↑N
Flujo de mareaatenuado
Flujo de marea no atenuado
Hidroperíodo
1 = inundación permanente
0.0000.0480.0230.021Pastura
0.6510.9760.1080.179Marismasalina
0.9551.0000.2540.350Manglares
0.9941.0000.4020.451Planicie pantanosa
VeranoPrimaveraVeranoPrimavera
CompartimientoLagunaWader
Compartimiento Canal Fish Fry
Hábitat
VelocidadesCompartimiento no
atenuado
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 10 20 30 40 50 60 70Mean Velocity (cm/s) and Turbulent Kinetic Energy (cm2/s2)
Dim
ensi
onle
ss D
epth
z/h
ū
k
Compartimientoatenuado
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 1 2 3 4 5 6 7Mean Velocity (cm/s) and Turbulent Kinetic Energy (cm 2/s2)
Dim
ensi
onle
ss D
epth
z/h
u - no windk -no windu - wind affectedk - wind affected
Rango de marea, Hidroperiodo & Elevacion
manglares
pil. de marea / planic. pantan.
marisma / planic. pantan
Factores abióticos (nMDS)
Propiedades del suelo
No hay agrupamiento por
habitat
marisma
manglares
piletas de marea / planic.pantan.
Vegetacion
Rango de marea & Hidroperiodo
manglares
planic. pantan./ marisma con fuerte
rango de marea
marisma / planic. pantan. / pil. de
marea
invasion de manglares
Zonación de Hidráulica (nmds y Simper)
Grupo A (compartimiento no atenuado)alta velocidadalto sedimento en suspensionalto rango de marea
Group B (canales con marea atenuada)moderada velocidadmoderado sedimento en suspensionalta elevacionlargo hidroperiodo
Group C (marisma abierta atenuada)baja velocidadbajo sedimento en suspensionalta elevacionlargo hidroperiodo
A
C
B
Zonación de Hábitat
Compartimiento no atenuado
Compartimiento atenuado
MarismaManglar
Planicie
Pastura
MarismaManglar
Planicie
Pastura
Nivel medio del mar
Nivel medio del mar
Comparación
Atenuado
No atenuado
Marismasalada
Manglar Planiciepantanosa
Pastura
Comparación
Atenuado
No atenuado
Marismasalada
Manglar Planiciepantanosa
Pastura
Situacionprevia
Futura Distribución de Vegetación
Wader Ck
Fish F
ry C
k
Aerial Photo: AAM Hatch 2004
~ 20 ha
~ -15 ha
Hunter R
iver South Arm
Port
War
atah
Rail
way
Water Supply Pipeline
Efecto sobre el Hábitat
Wader Ck
Fish F
ry C
k
Invasion Manglares
Habitat 1993
Expansion
Conclusiones• Controles hidráulicos afectan la distribución de vegetación• Reintroducción de mareas en el canal Fish Fry ha resultado
en el reemplazo de piletas de marea y marismas por canales de marea y manglares
• En la laguna Wader la marea ha permanecido atenuada, aunque también se han detectado algunos cambios en la vegetación
• Este proceso no ha alcanzado el equilibrio y la dinámica actual esta caracterizada por la erosión de canales de marea entre los dos compartimientos e invasión de manglares
• Las proyecciones indican que las marismas y el hábitat de las aves playeras disminuirán a expensas de los manglares.
Restauración• En base a los resultados obtenidos se ha propuesto limitar
la amplitud de mareas en el compartimiento Fish Fry y asígenerar condiciones menos favorables para los manglares.
• Esto puede lograrse limitando los niveles mínimos mediante la construcción de un vertedero a la entrada del compartimiento.
• El vertedero se encuentra actualmente en construcción.
Restauración de ríos Motivación y antecedentes
Piletas y rápidas en ríos de montaña
Motivación
Piletas y rápidas en ríos de llanura
MotivaciónEstructura de la comunidad icticola en tramos meandrosos y rectos
DiversidadRango =0 to 4-5
Schwartz, J.S., E.E. Herricks, and B.L. Rhoads. 2001. Integrating Geomorphology, Hydraulics, and Ecological Criteria to Support Stream Naturalization in East-Central Illinois. ASCE Congress, Orlando, Florida.
MotivaciónSitio de estudio
Chicago River at
Northbrook
West Fork of the North Branch of the Chicago River at Northbrook, IL
Piletas ExistentesPiletas a construir
Ecología
Geomorfología
Ingeniería•Zonas de recirculación y baja velocidad en las piletas •Velocidades mas altas en las rápidas •Estructuras en secuencia de dos o mas
•Angulo de reposo•Tensión de corte•Evitar sedimentación en piletas•Minimizar inundación•costo
•Piletas mas angostas que rápidas•Transiciones graduales•Espaciamiento cada 5-7 veces el ancho
Diseñointerdisciplinario
00.5
1
10 15 20 25 30 35 40 45
distance along channel centerline (m)
Diseño
Perfil longitudinal
Transiciones gradualesPerdidas de energia menoresPoco efecto para flujos altosVariabilidad del flujo
piletarapida
Auto mantenimiento
Diseño
45556
2.11.751.4
1.050.7
0.350
2.11.751.4
1.050.7
0.350
2.11.751.4
1.050.7
0 1.4 2.8 4.2 5.6
Elevations
(m)
Distance (m)
rapida
pileta
Seccionestransversales
Diseño
vista 3D del diseño
0
0.5
1
Z(m
)
025
5075
100
X (m)
0246Y (m)
XY
Z
rapida
rapidarapida
rapida
piletapileta
pileta
Testeo del diseñoAnnual Maximum Series - West Fork of North
Branch of Chicago River at Northbrook, Illinois
1
10
100
1 10 100
Return Frequency, in Years
Dis
char
ge, i
n m
3 /s
1 year=2.5 m3/s
2 years=15 m3/s
1.06 years=5 m3/s
Caudales maximos anuales
Simulaciones numéricas
Escala de tramo:
HEC-RAS (1D)
0
0.5
1Z
(m)
025
5075
100
X (m)
0246Y (m)
XY
Z
Escala de detalle:
FLOW-3D (3D)
HEC-RAS
192
193
194
195
300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500
Upstream distance [m]
Ele
vatio
n [m
]
with structures
with structures
without structures
without structures
Q=2.42 m3/s
Q=13.41 m3/s
channel bottomwith structures
Q=2.5 m3/s
Q=15 m3/s
Simulaciones 3D flujo bajo-unidad central
4
1
2
3
0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1
0 .1 m /s
lon g . ve loc. (m /s)
5
rapida
pileta
rapida
1
2
4
3
0 .1 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8 0 .9 1
0 .1 ( m /s )
5
rapida
pileta
rapida
Simulaciones 3D flujo medio-unidad central
Experimentos de laboratorio
test zoneA/Dboard
•
ECM
mobilegauge
upstreamgaugedownstream
gauge
weir
15 m
tilting flume
Velocitysensor
piedra partida de ¾’lecho rugoso
Experimentosde laboratorio
Experimentos de laboratorio1:7 Froude
Discharge(m3/s)
Pool depth(m)
Riffle depth(m)
Returnperiod(years) Prototype Model Prototype Model Prototype Model
1 2.5 0.02 1.61 0.23 0.35 0.041.06 5 0.04 1.82 0.26 0.56 0.072.1 15 0.12 2.31 0.33 1.05 0.14
8.3
8.35
8.4
8.45
8.5
8.55
8.6
8.65
2 4 6 8 10 12
distance along channel centerline (m)
stag
e (m
)
xs 1 riffle xs 5 riffle
xs 3 pool
xs 2 xs 4
Q=0.12 m3/sS=0.025
Q=0.04 m3/sS=0.025
Q=0.02 m3/sS=0.025
Experimentos de laboratorioSuperficie del agua
S=0.0025
S=0.0025
S=0.0025
S=0.0025
Flujo alto
8.4
8.5
8.6
Z(m)
5
6
7
8
9
10
X(m)0
0.20.4
0.60 8
Y(m)
X Y
Z
U(m/s)0.7472730.6725450.5978180.5230910.4483640.3736360.2989090.2241820.1494550.0747273
high flow
riffle
pool
riffle
Flujo medio
riffle
pool
riffle
8.4
8.5
8.6
Z(m)
5
6
7
8
9
10
X(m)0
0.20.4
0.60 8
Y(m)
X Y
Z
U(m/s)0.7472730.6725450.5978180.5230910.4483640.3736360.2989090.2241820.1494550.0747273
mid flow
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Y(m)
510
X(m
)8.4
8.5
8.6
Z(m
)
X Y
Z
x vorticity (m2.402691.868761.334830.8008980.266966
-0.266966-0.800898-1.33483-1.86876-2.40269
high flow
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Y(m)
510
X(m
)
8.4
8.5
8.6
Z(m
)
X Y
Z
x vorticity (m2.402691.868761.334830.8008980.266966
-0.266966-0.800898-1.33483-1.86876-2.40269
high flow
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Y(m)
510
X(m
)
8.4
8.5
8.6
Z(m
)
X Y
Z
x vorticity (m2.402691.868761.334830.8008980.266966
-0.266966-0.800898-1.33483-1.86876-2.40269
high flow
Secondary flow in a wide straight channel (Nezu et al.,
1983).Turbulent Shear Flows 4
Circulación secundaria flujo altoHigher velocity Higher velocityHigher velocity
Circulación secundaria flujo medio
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Y(m)
510
X(m
)8.4
8.5
8.6
Z(m
)
X Y
Z
x vorticity (m/2.258131.756321.254520.752710.250903
-0.250903-0.75271-1.25452-1.75632-2.25813
mediumflow
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Y(m)
510
X(m
)
8.4
8.5
8.6
Z(m
)
X Y
Z
x vorticity (m/2.258131.756321.254520.752710.250903
-0.250903-0.75271-1.25452-1.75632-2.25813
mediumflow
0 0.2 0.4 0.6 0.8
Y(m)
510
X(m
)
8.4
8.5
8.6
Z(m
)
X Y
Z
x vorticity (m/2.258131.756321.254520.752710.250903
-0.250903-0.75271-1.25452-1.75632-2.25813
mediumflow
Secondary flow in pool-riffle sequences (Thompson, 1986) Earth Surf. Proc. Land.11
Higher velocity Higher velocityHigher velocity
Tensiones de Reynolds
pool riffle
02
46
810
1214
0 5 10 15
turbulent shear stress u'v' (cm2/s2)
Dep
th [c
m]
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25
turbulent shear stress u'v' (cm2/s2)
Velocidades de corte
0.20.40.6
y(m
)
5 6 7 8 9 10x (m)
riffle rifflepoollowerflow
0.20.40.6
y(m
)
0.030 0.035 0.040 0.045 0.050 0.055 0.060
shear velocity (m/s)
riffleriffle poolhigherflow
0.1
1
10
0.01 0.1Discharge (m3/s)
Mea
nshe
ar s
tres
s (P
as)
xs 1 upstream rifflexs 3 poolxs 5 downstream riffle
Esfuerzos de corte en el fondo
Intensidad de turbulencia
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%
Turbulence int ensit ies dimensionless
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%
Tur bulence int ensi t i es dimensionless
0.5u'2/K 0.5v'2/K 0.5w'2/K
0.5u'2/K 0.5v'2/K 0.5w'2/K
z/h z/hpool riffle
High flowMid flow
Energía cinética turbulentapool riffle
0.001.002.003.004.005.006.00
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
z/h
K/U
*2
0.001.002.003.004.005.006.00
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
z/h
K/U
*2Mid discharge High Discharge
Nezu Sukhodolov
Energía cinética turbulenta
8.4
8.5
8.6
Z(m
)
56
0
0 .2
0.4Y(m
XY
Z
TKE (m2/s2 )0 .01 11 81 80 .01 00 63 60 .00 89 45 450 .00 78 27 270 .00 67 09 090 .00 55 90 910 .00 44 72 730 .00 33 54 550 .00 22 36 360 .00 11 18 18
high flow
8.4
8.5
8.6
Z(m
)
56
0
0.2
0.4Y(m
XY
Z
TKE (m2/s 2)0 .0 06 91 81 80 .0 06 22 63 60 .0 05 53 45 50 .0 04 84 27 30 .0 04 15 09 10 .0 03 45 90 90 .0 02 76 72 70 .0 02 07 54 50 .0 01 38 36 4
medium flow
Higher flow
Lower
-20
0
20
Y
Z9.598.48.2
TKE0.0150.01350.0120.01050.0090.00750.0060.00450.0030.0015
RíoEmbarras
TKE0.0150.01350.0120.01050.0090.00750.0060.00450.0030.0015
Río Embarras MAX. DENSIDAD DE PECES
DEPTH-AVER.
Conclusiones• Estructuras dentro del canal del tipo piletas-rápidas han
sido diseñadas para restaurar un curso urbano. • Las estructuras artificiales se comportan esencialmente
como secuencias naturales de piletas-rápidas. • Las estructuras son autolimpiantes, no generan erosión
de bancos y proveen hábitat para peces.
Construcción 2002Northbrook longitudinal profiles 1999 and 2002 (after
pool construction). UIUC Research Team.
19100
19150
19200
19250
19300
19350
19400
19450
300 400 500 600 700Distance (m)
Elev
atio
n (c
m)
1999 Profile 2002 Profile
Northbrook - Reach 3 - Unit 2
19150
19200
19250
19300
19350
420 430 440 450 460 470
Distance (m)
Elev
atio
n (c
m)
1999 Profile 2002 Profile
Performance 2002
• Seguimiento post-construcción:–Estructuras permanecen estables–Incremento del numero total de peces–Numero de especies se ha duplicado (8 to 16)
Gracias