11.1 ONDAS SUPERFICIALES
Las ondas superficiales son características del flujo no permanente [en
canales] las cuales ocurren típicamente bajo números de Froude altos.
La Figura 11-1 muestra una onda superficial en el río Hassayampa, cerca de Morristown,
Arizona (Phillips y Ingersoll, 1998). La perturbación es
una onda que se propaga lentamente en dirección aguas abajo, indicando
flujo en un canal
aluvial en condiciones de régimen superior
La Figura 11-3 muestra el río Santa Catarina, en Monterrey, Nuevo León, México, durante el paso del Huracán Gilberto, el 17 de septiembre de 1988. Las grandes ondas superficiales que se observan son una indicación de flujos con altos números de Froude, los cuales muy probablemente prevalecieron durante el paso de la avenida.
11.2 OLEADAS
Las oleadas son perturbaciones creadas por los cierres repentinos
de compuertas, o por cambios bruscos en el
nivel de la superficie del agua o la profundidad de flujo.
Típicamente, una oleada es corta y
no se atenúa fácilmente, trasladándose una distancia considerable a lo largo del canal.
Las oleadas se pueden evitar si la apertura de compuerta se hace lentamente, minimizando así
la posibilidad de cambios bruscos en el nivel de la superficie del agua y/o profundidad de flujo.
La atenuación de la oleada aumenta en cuanto disminuye
el número de onda adimensional, de aquél correspondiente a una
onda dinámica verdadera (con celeridad constante y atenuación nula), a aquél correspondiente
a una onda dinámica mixta (con celeridad variable y atenuación apreciable)
Basando el cálculo en el criterio anterior, una primera aproximación del tiempo de apertura To de la compuerta en un canal, para disminuir la posibilidad de una oleada, es (Ponce et al., 1999):
en la cual uo = velocidad de flujo, So = pendiente de fondo, g = aceleración de la gravedad, y k = una constante que varía con el número de Froude como se muestra en la Tabla 11-1.
11.3 CHOQUES CINEMÁTICOS
Los choques cinemáticos son ondas cinemáticas que se han empinado hasta convertirse prácticamente en una pared de agua, con la cara de la onda en forma casi vertical. En la realidad, el choque no es una discontinuidad perfecta; sin embargo, su espesor es relativamente pequeño en comparación con la escala de la perturbación (Lighthill and Whitham, 1955). Las ondas cinemáticas se trasladan aguas abajo y pueden empinarse o aplanarse, dependiendo de su interacción con la sección transversal. Solamente las ondas cinemáticas más empinadas pueden convertirse en choques cinemáticos. Nótese que mientras que las ondas cinemáticas constituyen flujo gradualmente variado, los choques cinemáticos son flujo rápidamente variado. El desarrollo de un choque cinemático es una función de las siguientes condiciones (Ponce y Windingland, 1985):
Por lo tanto, los choques cinemáticos se desarrollan en los casos en los cuales se presentan: (a) una onda cinemática, (b) un río o corriente efímera (es decir, con flujo base igual a cero), (c) una velocidad de flujo alta (es decir, una avenida), y (d) un canal hidráulicamente ancho. Éste sería el caso de una tormenta de proporciones considerables en una región semiárida, la cual tendería a concentrar el flujo rápidamente a través de un cañón amplio y de paredes casi verticales. El 26 de Julio de 1981 se produjo una avenida muy súbita en el arroyo Tanque Verde, un afluente del río Santa Cruz, en el este del estado de Arizona, EE.UU. La avenida produjo una onda, la cual fue con toda probabilidad, un choque cinemático, A pesar de que la magnitud [frecuencia] de la avenida fue sólo de dos años de período de retorno, causó la muerte de ocho personas. A juzgar por las narrativas de los sobrevivientes, la rapidez de aproximación de la onda de avenida fue tal que se asemejaba a un "muro de agua" (Hjalmarson, 1984). Los choques cinemáticos han sido observados con cierta frecuencia en los cálculos numéricos de flujo de superficie. Cabe mencionar que estos cálculos son muy propicios para el desarrollo del choque cinemático (Kibler y Woolhiser, 1970). La presencia frecuente del choque se atribuye a la regularidad espacial prescrita, la cual es necesaria para que el problema pueda ser resuelto de una manera viable. 11.4 ONDAS DE ROLLO
Las ondas de rollo se desarrollan en flujo en canales cuando el número de Vedernikov V > 1 (Powell, 1948; Craya, 1952; Chow, 1959). En canales naturales, la condición V > 1 ocurre muy rara vez (Jarrett, 1982). Por lo tanto, las ondas de rollo se limitan a canales artificiales revestidos con hormigón [concreto]. Típicamente, las ondas de rollo aparecen como un tren de ondas que se desplaza aguas abajo, como se muestra en la Fig. 1-7 (Capítulo 1). El número de Vedernikov se define como la relación de la celeridad relativa de la onda cinemática a la celeridad relativa de la onda dinámica (Ponce, 1991):
en la cual β = exponente de la curva de gasto
(relación descarga-área) (Ec. 10-52),
u = velocidad media, h = profundidad de flujo, y
g = aceleración de la gravedad.
Las ondas de rollo se producen cuando la celeridad relativa de la onda
cinemática supera a la celeridad relativa de la onda dinámica.
Dado que la masa transporta ondas cinemáticas, y
la energía transporta ondas dinámicas (verdaderas),
las ondas de rollo se producen en el umbral en el cual
la masa y la energía están siendo transportadas a la misma velocidad.
En la práctica, las
ondas de rollo se producen en canales artificiales de fuerte pendiente
cuando el número de Vedernikov
La condición
11.5 ONDAS DE MAREA
Las ondas de marea son características del flujo no permanente rápidamente variado, las cuales ocurren en ciertos ríos en la proximidad de sus estuarios. Las ondas se producen en estuarios que poseen un gran rango de marea (variación del nivel), en las fechas cercanas a los equinoccios (20 de marzo y 22 de septiembre). El hecho de que la onda de marea sea capaz de trasladarse aguas arriba del estuario, y eventualmente convertirse en una onda visible, de profundidad finita, depende en gran medida de la geometría de la sección transversal del estuario. Las grandes ondas de marea, de alturas mayores de 2 m, son más propensas a formarse en canales hidráulicamente anchos, de profundidad casi constante, y de fricción relativamente baja.
Se han observado grandes ondas de marea en el río Araguari, en Brasil (Fig. 11-7), en el Río Chien Tang, en China, y en otros estuarios en ciertas regiones a nivel global. Chow (1959) describió la onda de marea Hangchow en la localidad de Haining, en el río Chien Tang, China. El frente de onda viajó a gran velocidad y fué observado a través de una longitud de 11 km (Fig. 11-8). La onda alcanzó una altura final de 8.4 m en un total de 30 minutos. El ancho del río en el punto de observación fue de aproximadamente 1.6 km.
11.6 FLUJOS HIPERCONCENTRADOS
Los flujos hiperconcentrados de sedimentos son acumulaciones repentinas de escurrimiento que contienen grandes cantidades de partículas sólidas, generalmente de tamaños correspondientes a cantos rodados y aún mayores. Los flujos hiperconcentrados se trasladan aguas abajo a gran velocidad, destruyendo todo a su paso y poniendo en peligro la vida y la propiedad (Fig. 11-9).
Los flujos hiperconcentrados son inducidos por lluvias intensas, pero también pueden ser provocados por terremotos. Por ejemplo, en el Sur de California, a lo largo de la base de las montañas de San Gabriel, al este de Los Ángeles, los flujos hiperconcentrados inducidos por la lluvia se presentan con regularidad. Los factores que conducen a la formación de estos flujos hiperconcentrados son:
Las pendientes empinadas (1), cubiertas con bosques de chaparral (2), sujetas a la secuencia de viento (3), fuego (4), y lluvia (5), son los factores que desencadenan los flujos hiperconcentrados de sedimentos en la región del Sur de California. Durante el incendio, las partículas de cera [contenidas en la hojas] se vaporizan en la superficie, recondensándose a un espesor que varía de 10 a 50 mm, por debajo del cual el suelo es hidrofóbico, es decir, no humedecible. La acumulación del escurrimiento causado por lluvias muy intensas, superiores a 25 mm por hora, por debajo de la superficie y por encima de la capa no humedecible, conduce al arrastre de grandes cantidades de sedimento que eventualmente llegan a constituir los flujos hiperconcentrados.
Un flujo hiperconcentrado normal inducido por una lluvia fuerte en el Sur de California puede remover de Los deslizamientos provocados por terremotos
Los flujos masivos hiperconcentrados de sedimentos (deslizamientos) suelen ser provocados
por terremotos. Tal fue el caso del deslizamiento del Nevado Huascarán,
el 30 de Mayo de 1970, en el Perú, que sepultó la ciudad de
Yungay, provocando la muerte de más de 20,000 personas
11.7 LAHARES
Los lahares son flujos hiperconcentrados de sedimentos provocados por el deshielo que sigue a una erupción volcánica, con la posterior fusión repentina de la cobertura glacial. La palabra lahar se originó en Indonesia, donde el fenómeno es bastante común. Los lahares tienen la consistencia, viscosidad, y aproximadamente la misma densidad que el hormigón: fluído cuando está en movimiento y sólido cuando cesa de moverse (Fig. 11-14).
Los lahares pueden ser masivos y mortales, como lo demuestra la erupción del volcán Nevado del Ruiz, en Colombia, el 13 de noviembre de 1985. En esa oportunidad, cuatro lahares descendieron por los flancos del volcán. El más grande de ellos prácticamente destruyó la ciudad de Armero, sepultándola bajo 5 m de lodo y escombros, causando la muerte de más del 75% de sus 28,700 habitantes (Fig. 11-15).
PREGUNTAS
PROBLEMAS
BIBLIOGRAFÍA
Brock, R. R. 1967. Development of roll waves in open channels. ReportE No. KH-R-16, W. M. Keck Laboratory of Hydraulics and Water Resources, California Institute of Technology, Pasadena, California, Chow, V. T. 1959. Open-channel Hydraulics. McGraw Hill, Nueva York. Cornish, V. 1907. Progressive waves in rivers. The Geographical Journal. Vol. 29, No. 1, Enero, 23-31. Craya, A. 1952. The criterion for the possibility of roll-wave formation. Gravity Waves, Circular No. 521, National Bureau of Standards, Washington, D.C. 141-151. Hjalmarson, H. W. 1984. Flash flood in Tanque Verde Creek, Tucson, Arizona. Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 110, No. 12, 1841-1852. Jarrett, R. D. 1984. Hydraulics of high-gradient streams. Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 110, No. 11, 1519-1539. Kibler, D. F., y D. A. Woolhiser. 1970. The kinematic cascade as a hydrologic model. Hydrology Paper No. 39, Colorado State University, Ft. Collins, Colorado. Lighthill, M. J., y G. B. Whitham. 1955. On kinematic waves: I. Flood movement in long rivers. Proceedings, Royal Society of London, Series A, 229, 281-316. McPhee, J. 1989. The Control of Nature. Farrar Straus Giroux, Nueva York. Ponce, V, M., y D. Windingland. 1985. Kinematic shock: Sensitivity analysis. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 111, No. 4, Abril, 600-611. Ponce, V. M. 1991. New perspective on the Vedernikov number. Water Resources Research, Vol. 27, No. 7, 1777-1779, Julio. Ponce, V, M., y M. P. Maisner. 1993. Verification of theory of roll wave formation. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 119, No. 6, Junio, 768-773. Ponce, V, M., Y. R. S.Rao, y N. M. Mansury. 1999. Time of opening of irrigation canal gates. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 125, No. 9, Septiembre, 979-980. Powell, R. W. 1948. Vedernikov's criterion for ultra-rapid flow. Transactions, American Geophysical Union, Vol. 29, No. 6, 882-886. Phillips, J. V., y T. L. Ingersoll. 1998. Verification of roughness coefficients for selected natural and constructed stream channels in Arizona. U.S. Geological Survey Professional Paper 1584, Washington, D.C. Simons, D. B., y E. V. Richardson. 1966. Resistance to flow in alluvial channels. U.S. Geological Survey Professional Paper 422-J, Washington, D.C.
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