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