Check dams/es

Las regiones áridas y semiáridas se caracterizan a menudo por episodios de lluvias intensas y breves que provocan inundaciones y erosión a corto plazo. Cuando la escorrentía superficial es elevada, la lluvia apenas contribuye al acuífero de la cuenca, y los flujos de alta intensidad transportan sedimentos por los cauces y lechos de escorrentía hacia los cuerpos de agua superficiales. En estos casos, se puede utilizar un dique de retención como técnica de captación de agua de lluvia para la recarga del acuífero.

¿Qué es un dique de retención?

Un dique de retención es una barrera permeable que se coloca en el cauce de un curso de agua efímero, como un canal, arroyo, zanja o aliviadero (estos términos se usan indistintamente en esta página), para restringir el flujo y provocar la acumulación de agua aguas arriba. Esta acumulación de agua aumenta la infiltración del agua de lluvia hacia las aguas subterráneas y reduce los efectos de la erosión, a la vez que retiene los sedimentos transportados e impide su transporte aguas abajo. Se ha demostrado que los diques de retención son particularmente eficaces para retener sedimentos cuando se colocan en cárcavas en zonas con un relieve pronunciado. ^{[ 1 ]}

Las pequeñas represas tradicionales suelen construirse con roca natural, madera o restos de hormigón, con un diámetro de entre 25 y 60 cm. También se pueden construir represas temporales con tela, balas de paja y ramas. Otros tipos específicos de represas incluyen los gaviones (represas tradicionales con refuerzo de alambre para mayor estabilidad y barreras de sedimentos, comunes en cunetas y cerca de obras). Si bien son ideales para aplicaciones efímeras susceptibles a crecidas repentinas por lluvias intensas, las represas también se han implementado con éxito en zonas urbanas de aguas pluviales, regiones con relieve accidentado y terrenos llanos para desviar la escorrentía hacia otros usos.

Historial

Algunas de las presas de retención más antiguas conocidas se encuentran en el norte de África y los arqueólogos creen que datan de la época romana o prerromana ^{[ 2 ]} . Estas presas se utilizaban generalmente para ralentizar y desviar el agua para el riego local. Históricamente, las presas de retención se han utilizado y se siguen utilizando en aplicaciones que responden a las precipitaciones, en lugar de a arroyos y ríos perennes. Se han implementado con éxito en regiones áridas y semiáridas como el suroeste de Estados Unidos, la región de Gujarat en India y zonas secas del norte de África, entre otras. Su uso está aumentando en entornos urbanizados para regular el caudal en estanques de recogida de aguas pluviales debido a su bajo coste, facilidad de construcción y mínimo mantenimiento requerido ^{[ 3 ].}

Teoría de la ingeniería

Las presas de retención funcionan reduciendo el caudal de agua a través de un canal, provocando la acumulación de agua inmediatamente aguas arriba. El caudal en una vía fluvial es función de la velocidad y el área de la sección transversal del agua en la vía fluvial, y se puede estimar como se muestra: ^{[ 4 ]}

Ecuación 1:Q=v*A

dónde

• Q = Caudal (m³ ^/ s)
  
• v = Velocidad media del agua en el canal (m/s)
  
• A = Área de sección transversal del agua en el canal (m ² )

De la ecuación 1 se observa que, si v permanece constante, Q disminuye al disminuir A. La tasa de acumulación de agua inmediatamente aguas arriba se puede determinar mediante un simple balance de masas:

Ecuación 2:Adodoumetroulationorte=Qinorte—Qout

dónde

• Q _in = Caudal de agua en el aliviadero aguas arriba del dique de retención (m ³ /s)
  
• Q _salida = Caudal de agua a través del dique de retención (m ³ /s)

Para determinar Q_{_out}, primero se debe determinar la cantidad de área de sección transversal reducida por el dique de retención. Este valor se puede estimar determinando la porosidad del dique. La porosidad (n) se define como el volumen de espacio de aire (vacíos) en proporción al volumen total en una muestra de suelo o agregado ^{[ 5 ]} , y dado que la relación de volúmenes en una muestra dada es igual a la relación de áreas, la porosidad se puede expresar como

norte=Avoids/Atotal

o

Ecuación 3:Avoids=Atotal*norte

En la ecuación 1, se puede sustituir A por vacíos _{para aproximar Q a través} de un dique de retención. Los valores de porosidad para un agregado angular, como el utilizado en diques de retención, oscilan entre 0,2 y 0,5, con un valor típico de aproximadamente 0,3 (24). Estas ecuaciones solo proporcionarán una estimación razonable si el dique de retención no está sumergido. En muchos casos, puede ser conveniente estimar el volumen de agua que un dique de retención es capaz de almacenar temporalmente. Esto se puede calcular mediante la ecuación 4:

Ecuación 4:V=0.5*w*h*l

dónde

• V = Volumen de agua almacenada (m ³ )
• w = ancho del agua almacenada aguas arriba del dique de retención (m)
• h = profundidad de la columna de agua inmediatamente aguas arriba del dique de retención (m)
• l = longitud del embalse aguas arriba del dique de contención (m)

Si bien el nivel del agua aguas arriba del dique de retención rara vez se mantiene constante debido al caudal de salida (Q_{_out}) , la ecuación 4 proporciona una buena estimación del potencial de almacenamiento temporal que ofrece una configuración específica del dique. Dada la profundidad del agua inmediatamente aguas arriba del dique, la infiltración se puede estimar utilizando la ley de Darcy ( ^W) para el flujo a través de un medio poroso. ^{[ 5 ]}

de diseño

La ubicación del dique de contención es la primera consideración. Debe situarse aguas arriba del cauce o del arroyo, donde el caudal sea más manejable. Los diques de contención no deben colocarse cerca de curvas o pendientes pronunciadas, ya que esto facilita la erosión y el flujo preferencial del agua alrededor del dique, en lugar de a través de él. Asimismo, puede ser ventajoso ubicar el dique en una zona con abundantes materiales de construcción (por ejemplo, rocas de tamaño adecuado), aunque esto no siempre sea posible.

Idealmente, los diques de retención se colocan en serie, comenzando en el curso superior del río y extendiéndose aguas abajo. La separación entre los diques debe ser tal que la altura del dique aguas abajo eleve el nivel del agua en el aliviadero hasta la base del dique inmediatamente aguas arriba, como se ilustra a continuación. Los diques de retención orientados de esta manera funcionan esencialmente como pozas escalonadas y pueden modelarse como tales ^{[ 6 ].}

Los materiales deben obtenerse antes de comenzar la construcción del dique de contención. El material necesario, como piedras naturales, trozos de hormigón o pacas de heno, debe recolectarse y transportarse al sitio donde se construirá el dique. Si se van a utilizar rocas naturales o restos de hormigón, seleccione rocas o trozos de hormigón de al menos 30 a 60 centímetros de diámetro o con un peso mínimo de 9 kilogramos. ^{[ 7 ]} Este tamaño de agregado es necesario para evitar que el dique se derrumbe durante los períodos de crecida. Además, para algunas partes de la construcción puede ser útil contar con herramientas como palas y picos, las cuales deben recolectarse antes de comenzar la construcción del dique.

El dique de contención debe orientarse perpendicularmente al flujo del aliviadero, como se muestra en la Figura 3. Comience en condiciones secas excavando una zanja transversal al cauce, penetrando tanto en el lecho como en las orillas. Inicie excavando una zanja transversal al cauce y penetrando en las orillas a cada lado. Es fundamental una correcta colocación del terraplén para garantizar la estabilidad del dique de contención durante crecidas, especialmente en el caso de gaviones. Lo ideal es asentar rocas en la capa inferior para dirigir el flujo de agua en el fondo del canal hacia arriba y por encima, en lugar de por debajo, de dicha capa.

Debe prestarse atención a la altura del dique. La construcción del dique de retención debe incluir un punto bajo en el centro que tenga la mitad de la profundidad del canal y abarque aproximadamente un tercio de su ancho. Esta sección puede ser rectangular o en forma de V, y actúa como vía de paso para el agua cuando la altura del embalse supera la del dique de retención.

Las secciones del dique de retención cercanas a las márgenes del arroyo deben tener una altura ligeramente inferior a la del terraplén. Si no se utiliza alambre de refuerzo, la relación altura/profundidad del dique no debe ser superior a 1,5:1 para garantizar la estabilidad durante crecidas. Se puede colocar roca adicional u otro tipo de escollera al pie del dique para proporcionar resistencia a la erosión y al momento flector. Al construir diques de retención en serie, se debe comenzar por el más situado aguas abajo y continuar la construcción avanzando gradualmente aguas abajo.

de Operación y Mantenimiento

Un dique de retención bien construido no requiere intervención operativa y su mantenimiento es mínimo. Se recomienda inspeccionar los diques de retención periódicamente después de su instalación y tras lluvias intensas. Un dique de retención ubicado demasiado bajo en un drenaje o aliviadero, sin una adecuada protección aguas arriba (ya sea mediante otros diques de retención u otros medios), puede ser susceptible a la erosión justo aguas abajo de su base. Asimismo, un dique de retención construido sin un conducto de flujo adecuado a través de su centro puede ser susceptible a fallar. La erosión total se puede estimar como la suma de la erosión por degradación, la erosión por contracción y la erosión del estribo; ^{[ 8 ]} en Sturm se ofrece un análisis detallado de la erosión . La fotografía de la derecha muestra un dique de retención sin un conducto de flujo central; esto provocó erosión en el borde exterior del dique. Si bien el dique de retención seguirá acumulando agua durante las lluvias, ya no impide el transporte de sedimentos a las zonas bajas de la cuenca. En estos casos, se requiere mantenimiento. Debido a que la estabilidad de la ribera se ha visto comprometida, el dique de contención debe extenderse para cubrir la zona recientemente erosionada, y la forma de la sección transversal del dique debe ajustarse para facilitar el flujo de agua a través del centro, en lugar de alrededor, del dique.

El mantenimiento también depende del material de la presa de retención. Los diseños que utilizan materiales de construcción robustos, como roca o concreto, requieren menos mantenimiento que las presas de retención hechas de tela, ramas o pacas de heno. La robustez del diseño reduce la necesidad de reparaciones tras lluvias intensas, y la construcción de gaviones puede ser recomendable en cursos de agua con altos volúmenes de escorrentía debido a la integridad estructural que proporciona el refuerzo con alambre. Después de precipitaciones o durante las crecidas primaverales, las presas de retención de tela pueden requerir reajuste o reemplazo, y las ramas o pacas de heno deben reposicionarse según sea necesario para mantener su eficacia.

de evaluación

El desempeño de los diques de retención puede analizarse según diversos criterios. Uno de los objetivos principales de su implementación es aumentar el aporte de agua de lluvia a los acuíferos. La eficacia de un dique de retención puede determinarse midiendo la infiltración desde el embalse temporal que crea en respuesta a la lluvia, de acuerdo con la Ley de Darcy [1] . Otro objetivo es reducir el transporte de sedimentos a través de un cauce. Los depósitos de sedimentos se pueden medir fácilmente a lo largo del tiempo registrando la profundidad de los sedimentos inmediatamente aguas arriba del dique durante los períodos secos. Un método adicional para evaluar los cambios en el transporte de sedimentos consiste en comparar la turbidez aguas abajo.

Se puede realizar una evaluación adicional de los diques de retención en función de su durabilidad y la alteración del curso del flujo del cauce. Como se describe en la sección de Construcción, los diques de retención deben construirse para resistir los caudales típicos de un evento de lluvia. Además, la colocación del dique no debe alterar el curso del flujo del cauce. La erosión de la margen del cauce alrededor de los bordes exteriores del dique indica que el flujo tiende a rodearlo en lugar de atravesarlo. Esto se puede corregir reduciendo la altura central del dique o modificando los materiales de construcción para aumentar el paso del flujo a través del área del dique perpendicular al flujo de la corriente.

El desempeño de los diques de retención en entornos reales varía según su diseño y ejecución. Se ha documentado que los diques de retención robustos en grandes proyectos y los de pequeña escala ubicados en zanjas con caudales de baja intensidad permanecen en pie durante décadas; el dique más antiguo conocido construido sin mortero es un dique de gravedad que se cree que ha funcionado durante más de 4000 años. ^{[ 9 ]} Los diques de retención mal construidos pueden fallar, y de hecho han fallado, durante el primer episodio de lluvias torrenciales al que se exponen.

Impactos

Los diques de retención, cuando se implementan correctamente, aportan agua adicional al acuífero local; un dique de retención de 1,5 a 2 m puede recargar un área de aproximadamente 10 hectáreas ^{[ 10 ]} . Además, pueden servir como fuente temporal de agua para riego y reducir la erosión y el transporte de sedimentos en los cauces. Los sedimentos que de otro modo serían arrastrados por el curso de agua se acumulan inmediatamente aguas arriba del dique y pueden servir como sustrato adecuado para plantas locales capaces de tolerar la exposición intermitente e intensa al agua. Una simple comparación de hidrogramas puede ilustrar muchos de los impactos positivos que proporcionan los diques de retención.

Como se muestra en la Figura 4, un patrón hidrológico típico en cursos de agua que responden a la lluvia es un flujo de agua corto e intenso que se disipa rápidamente. Este repentino tapón de agua contribuye a la erosión y las inundaciones en un curso de agua. Cuando se implementan en serie, comenzando en las etapas superiores de una cuenca, los diques de retención reducen la intensidad del pico hidrológico en un canal después de un evento de lluvia, al prolongar el tiempo durante el cual el agua es transportada por el curso de agua. Cabe destacar también que el tiempo de concentración se produce más tarde en un canal con diques de retención, al ajustar la pendiente del arroyo ^{[ 11 ]} ; esto proporciona mayor flexibilidad en las opciones de aprovechamiento, si se desea. A medida que el sedimento se acumula detrás de un dique de retención, puede volverse apto para la siembra de vegetación local. En algunas áreas, los diques de retención se pueden utilizar para sostener árboles frutales y cultivos de cereales ^{[ 12 ] .}

La implementación de diques de retención también puede contribuir a diversos puntos de conflicto potencial. Estos diques alteran las características de flujo del curso de agua donde se ubican; si bien sus impactos son mayormente positivos (como se mencionó anteriormente), la moderación del flujo afectará a los usuarios de agua aguas abajo. Dependiendo del uso del agua, una respuesta moderada a la precipitación puede resultar indeseable o problemática para dichos usuarios. La implementación de diques de retención afecta no solo los patrones hidrológicos, sino también el volumen de agua. El volumen de agua que los diques de retención aportan a la recarga de acuíferos es agua que, de otro modo, habría continuado aguas abajo. Esto puede impactar negativamente a los usuarios aguas abajo con un alto consumo de agua. Estas implicaciones deben considerarse antes de la construcción, prestando especial atención a los requisitos o directrices regulatorias que puedan regir el uso del agua en la región. La gestión de las cuencas hidrográficas se ve fuertemente afectada por la legislación ambiental; la Ley de Conservación de la Fauna y la Pesca de 1958 estableció que los objetivos de los proyectos en una cuenca deben coordinarse con la conservación de la fauna y la pesca. ^{[ 13 ]} Además, la Ley Nacional de Política Ambiental de 1970 [2] , las enmiendas de la Ley de Control de la Contaminación del Agua de 1972 [3] y las enmiendas de la Ley de Especies en Peligro de Extinción de 1978 y 1978 [4] proporcionan directrices y restricciones adicionales en el ámbito de la gestión de cuencas.

de difusión

Actualmente se está llevando a cabo la distribución de la metodología de construcción y otra información a través de varias organizaciones:

El Instituto de Investigación de Permacultura de América ^{[ 14 ]} (PRI USA) [5] busca "trabajar con comunidades de todo el mundo para expandir el conocimiento y la práctica de la agricultura sostenible integrada utilizando el enfoque de sistemas completos del Diseño de Permacultura". El Instituto actúa como recurso y brinda consultoría en proyectos que abarcan todo el mundo.

El Instituto de Permacultura de Australia : ^{[ 15 ]} El Instituto de Permacultura de Australia (PRI Australia) [6] promueve el diseño y mantenimiento conscientes de ecosistemas agrícolas productivos, incluyendo el uso de diques de contención. Otros institutos de permacultura son PRI Grecia y PRI Turquía.

Aprovechamiento del agua de lluvia en zonas áridas y más allá, Vols. 1-3, de Brad Lancaster [7]. Esta serie de libros informativos aborda diversas tecnologías de captación de agua de lluvia, con especial atención a los diques de retención. Estas publicaciones ofrecen información detallada sobre la ubicación de los proyectos, los métodos y materiales de construcción, y el mantenimiento de los diques de retención y otras técnicas de captación de agua de lluvia.

El Instituto de Ciudades Sostenibles [ 8] ^{[ 16 ]} es una plataforma de recursos sobre sostenibilidad y oportunidades de colaboración diseñada para apoyar a las ciudades en su desarrollo sostenible. El instituto proporciona información sobre aplicaciones urbanas de diques de contención y zanjas de infiltración en la gestión de aguas pluviales.

alternativas de diseño

Un vertedero es una alternativa a un dique de retención que utiliza materiales impermeables como hormigón armado in situ o acero. Los vertederos suelen tener aberturas cuadradas o en forma de V que dirigen el flujo a través del centro del cauce. Se utilizan comúnmente tanto en cauces efímeros como perennes, y proporcionan un medio para crear un embalse dentro de un arroyo o río, además de un lugar idóneo para medir el caudal. Los diques de retención también pueden utilizarse de esta manera. Se puede estimar la transmitancia de agua a través de la sección transversal del dique, y este puede construirse de forma que se conozca la forma del recorrido del flujo. Con esta información, se pueden obtener mediciones relativamente precisas del caudal en función de la profundidad del agua que fluye a través del dique. ^{[ 13 ]} Otra alternativa a los diques de retención es la colocación de escollera a lo largo de un tramo extenso del cauce o arroyo. Si bien la escollera no ofrece una protección adecuada contra la erosión de las riberas y puede que no tenga la capacidad de embalse de un dique de retención, su uso disipa eficazmente la energía cinética del agua y reduce la erosión en la parte central del cauce. La escollera puede ser más conveniente que un dique de retención si se valora mucho la estética natural, como en el caso de un parque o un curso de agua pintoresco.

referencias

bibliografía

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Contacto

• Aprovechamiento del agua de lluvia para zonas áridas y más allá: http://www.harvestingrainwater.com/
• Instituto de Investigación de Permacultura de EE. UU.: http://www.permacultureusa.org/
• Instituto de Investigación de Permacultura de Australia: http://www.permaculture.org.au/
• Instituto de Ciudades Sostenibles: http://www.sustainablecitiesinstitute.org/view/page.home/home