Presa


Un vertedero / w ɪər / o una presa de baja altura es una barrera a lo ancho de un río que altera las características de flujo del agua y generalmente resulta en un cambio en la altura del nivel del río. También se utilizan para controlar el flujo de agua para salidas de lagos, estanques y embalses. Hay muchos diseños de vertederos, pero comúnmente el agua fluye libremente sobre la parte superior de la cresta del vertedero antes de descender en cascada a un nivel más bajo.

Una presa en el río Humber cerca de Raymore Park en Toronto, Ontario, Canadá
Una presa en el río Yass , Nueva Gales del Sur , Australia , directamente aguas arriba de un cruce de río compartido para peatones y bicicletas
Video secuencial de la instalación de una nueva presa basculante en los niveles Caldicot y Wentloog

No existe una definición única de lo que constituye un vertedero y un diccionario Inglés simplemente define un vertedero como una pequeña presa , probablemente procedente de Inglés medio eran , Viejo Inglés wer , derivado de la raíz del werian, que significa "para defender, la presa". [1] [2]

Un vertedero de broadcrest en el molino de Thorp en Thorp, Washington , EE.

Por lo general, las presas se utilizan para prevenir inundaciones , medir la descarga de agua y ayudar a que los ríos sean más navegables en bote. En algunos lugares, los términos presa y presa son sinónimos, pero normalmente se hace una clara distinción entre las estructuras. Por lo general, una presa está diseñada específicamente para acumular agua detrás de una pared, mientras que una presa está diseñada para alterar las características del flujo del río.

Una distinción común entre presas y presas es que el agua fluye sobre la parte superior (cresta) de una presa o debajo de ella durante al menos parte de su longitud. En consecuencia, la cresta de un aliviadero de desbordamiento en una presa grande puede denominarse vertedero. Los vertederos pueden variar en tamaño tanto horizontal como verticalmente, siendo el más pequeño solo unas pocas pulgadas de altura, mientras que el más grande puede tener muchos metros de alto y cientos de metros de largo. A continuación se describen algunos de los propósitos comunes de los vertederos.

Medición de flujo

Los vertederos permiten a los hidrólogos e ingenieros un método simple de medir la tasa de flujo volumétrico en arroyos / ríos de tamaño pequeño a mediano o en ubicaciones de descarga industrial. Dado que se conoce la geometría de la parte superior del vertedero y toda el agua fluye sobre el vertedero, la profundidad del agua detrás del vertedero se puede convertir en una tasa de flujo. Sin embargo, esto solo se puede lograr en lugares donde toda el agua fluye sobre la parte superior de la cresta del vertedero (a diferencia de los lados o a través de conductos o compuertas) y en lugares donde el agua que fluye sobre la cresta se aleja de la estructura. . Si no se cumplen estas condiciones, la medición de flujo puede resultar complicada, imprecisa o incluso imposible.

El cálculo de la descarga se puede resumir como:

Dónde:

  • Q es el caudal volumétrico de fluido (la descarga )
  • C es el coeficiente de flujo de la estructura (en promedio, una cifra de 0,62).
  • L es el ancho de la cresta
  • H es la altura de la cabeza de agua sobre la cresta
  • n varía con la estructura (p. ej., 3/2 para vertedero horizontal, 5/2 para vertedero con muesca en V)

Sin embargo, este cálculo es una relación genérica y se encuentran disponibles cálculos específicos para los diferentes tipos de vertederos. Los vertederos de medición de flujo deben mantenerse en buen estado para que sigan siendo precisos. [3] [4]

Fluir sobre un vertedero con muesca en V

El flujo sobre un vertedero con muesca en V (en pies 3 / s) viene dado por la ecuación de Kindsvater-Shen. [5]

Dónde:

  • Q es el caudal volumétrico de fluido en pies 3 / s
  • g es la aceleración debida a la gravedad en pies / s 2
  • C e es el factor de corrección de flujo dado en Shen 1981 , p. B29, figura 12
  • θ es el ángulo del vertedero con muesca en V
  • h es la altura del fluido por encima del fondo de la muesca en V
  • k es el factor de corrección de la cabeza dado en Shen 1981 , p. B20, figura 4

Control de especies invasoras

Como los vertederos son una barrera física, pueden impedir el movimiento longitudinal de peces y otros animales río arriba y río abajo. Esto puede tener un efecto negativo en las especies de peces que migran como parte de su ciclo de reproducción (p. Ej., Salmónidos ), pero también puede ser útil como método para evitar que las especies invasoras se muevan río arriba. Por ejemplo, las presas en la región de los Grandes Lagos han ayudado a evitar que la lamprea marina invasora colonice aguas arriba.

Molinos de agua

Los estanques de molinos se crean mediante un vertedero que acumula agua que luego fluye sobre la estructura. La energía creada por el cambio en la altura del agua se puede utilizar para impulsar ruedas hidráulicas y aserraderos, muelas y otros equipos.

Control de inundaciones y alteración de las condiciones del río

Un vertedero basado en una compuerta en Bray Lock en el río Támesis , mirando hacia abajo, en el fondo es el vertedero secundario más pequeño de 'desbordamiento'. También se pueden ver dos botes pequeños sostenidos contra la presa de desbordamiento, después de haber sido lavados contra ella durante una descarga particularmente alta como resultado del agua de deshielo de la ola de frío del invierno de 2018.

Los vertederos se utilizan comúnmente para controlar las tasas de flujo de los ríos durante períodos de alta descarga. Las compuertas (o en algunos casos la altura de la cresta del vertedero) pueden modificarse para aumentar o disminuir el volumen de agua que fluye aguas abajo. Los vertederos para este propósito se encuentran comúnmente aguas arriba de ciudades y pueblos y pueden ser automatizados o operados manualmente. Al disminuir la velocidad a la que el agua se mueve río abajo, aunque sea ligeramente, se puede tener un efecto desproporcionado sobre la probabilidad de inundaciones. En ríos más grandes, una presa también puede alterar las características del flujo de la vía fluvial hasta el punto de que los barcos puedan navegar por áreas que antes eran inaccesibles debido a corrientes extremas o remolinos . Muchas presas más grandes tendrán características de construcción que permitirán a los barcos y usuarios del río "disparar la presa" y navegar pasando corriente arriba o corriente abajo sin tener que salir del río. Las presas construidas para este propósito son especialmente comunes en el río Támesis , y la mayoría están situadas cerca de cada una de las 45 esclusas del río .

Durante los períodos de alto caudal del río, esta presa de piedra de pórfido del siglo XIX en un arroyo en los Alpes tendría una cantidad significativamente mayor de agua fluyendo sobre ella.

Ecología

Debido a que un vertedero acumula agua detrás de él y altera el régimen de flujo del río, puede tener un efecto en la ecología local . Por lo general, la velocidad reducida del río río arriba puede provocar un aumento de la sedimentación (deposición de partículas finas de limo y arcilla en el fondo del río) que reduce el contenido de oxígeno del agua y sofoca el hábitat de los invertebrados y los lugares de desove de los peces . El contenido de oxígeno normalmente vuelve a la normalidad una vez que el agua ha pasado sobre la cresta del vertedero (aunque puede estar hiperoxigenada), aunque el aumento de la velocidad del río puede arrasar el lecho del río y causar erosión y pérdida de hábitat.

Migración de peces

Los vertederos pueden tener un efecto significativo en la migración de peces . [6] Cualquier vertedero que exceda la altura máxima que puede saltar una especie o que cree condiciones de flujo que no se pueden eludir (por ejemplo, debido a una velocidad excesiva del agua) limita efectivamente el punto máximo río arriba en el que los peces pueden migrar. En algunos casos, esto puede significar la pérdida de grandes extensiones de hábitat de reproducción y, con el tiempo, esto puede tener un impacto significativo en las poblaciones de peces.

En muchos países, ahora es un requisito legal construir escaleras para peces en el diseño de un vertedero que garantice que los peces puedan sortear las barreras y acceder a los hábitats río arriba. A diferencia de las presas, las presas no suelen evitar la migración de peces río abajo (ya que el agua fluye por la parte superior y permite que los peces pasen por alto la estructura en esa agua), aunque pueden crear condiciones de flujo que dañan a los peces juveniles. Estudios recientes sugieren que las esclusas de navegación también tienen el potencial de proporcionar un mayor acceso para una variedad de biota , incluidos los nadadores pobres. [7]

Seguridad

Aunque el agua alrededor de los vertederos a menudo puede parecer relativamente tranquila, pueden ser lugares extremadamente peligrosos para navegar, nadar o vadear, ya que los patrones de circulación en el lado corriente abajo, típicamente llamado salto hidráulico, pueden sumergir a una persona indefinidamente. Este fenómeno es tan conocido por los piragüistas, kayakistas y otras personas que pasan tiempo en los ríos que incluso tienen un nombre lamentable para los vertederos: "máquinas de ahogamiento". [8] El DNR de Ohio recomienda que una víctima debe "doblar la barbilla hacia abajo, llevar las rodillas hacia el pecho con los brazos alrededor de ellas. Con suerte, las condiciones serán tales que la corriente empujará a la víctima a lo largo del lecho del río hasta barrido más allá de la línea de ebullición y liberado por el hidráulico ". [9] La Policía Estatal de Pensilvania también recomienda a las víctimas "acurrucarse, sumergirse hasta el fondo y nadar o gatear corriente abajo". [10] A medida que el salto hidráulico arrastra aire, la flotabilidad del agua entre la presa y la línea de ebullición se reducirá en más del 30%, y si una víctima no puede flotar, el escape en la base de la presa puede ser el único opción de supervivencia.

El puente y el mecanismo de vertedero en Sturminster Newton sobre el río Stour , Dorset , Reino Unido
Dos vertederos en el río Wear en Durham , Reino Unido: el vertedero inferior es un vertedero compuesto que también tiene escaleras para peces para permitir que peces como el salmón naveguen por el vertedero
Una presa de aguja operada manualmente- tipo vertedero cerca de Revin en el río Mosa , Francia
Una presa de cresta ancha en Warkworth , Nueva Zelanda
Una serie complicada de vertederos de cresta ancha y muesca en V en Dobbs Weir en Hertfordshire , Reino Unido

Hay muchos tipos diferentes de vertederos y pueden variar desde una simple estructura de piedra que apenas se nota, hasta estructuras elaboradas y muy grandes que requieren una gestión y un mantenimiento exhaustivos.

De cresta ancha

Un vertedero de cresta ancha es una estructura de cresta plana, donde el agua pasa sobre una cresta que cubre gran parte o todo el ancho del canal. Este es uno de los tipos de vertederos más comunes que se encuentran en todo el mundo.

Compuesto

Un vertedero compuesto es cualquier vertedero que comprende varios diseños diferentes en una estructura. Se ven comúnmente en lugares donde un río tiene múltiples usuarios que pueden necesitar pasar por alto la estructura. Un diseño común sería uno en el que una presa tiene una cresta ancha en gran parte de su longitud, pero tiene una sección donde la presa se detiene o está 'abierta' para que los barcos pequeños y los peces puedan atravesar la estructura.

Muesca en V

Un vertedero de muesca es cualquier vertedero donde la barrera física es significativamente más alta que el nivel del agua, excepto por una muesca específica (a menudo en forma de V) cortada en el panel. En momentos de flujo normal, toda el agua debe pasar a través de la muesca, lo que simplifica los cálculos del volumen de flujo, y en momentos de inundación, el nivel del agua puede subir y sumergir el vertedero sin alterar la estructura.

Polinomio

Un vertedero polinomial es un vertedero que tiene una geometría definida por una ecuación polinomial de cualquier orden n . [11] En la práctica, la mayoría de vertederos son vertederos polinomiales de bajo orden. El vertedero rectangular estándar es, por ejemplo, un vertedero polinomial de orden cero. Los vertederos triangulares (muesca en V) y trapezoidales son del orden uno. Los vertederos polinomiales de alto orden brindan una gama más amplia de relaciones de descarga y, por lo tanto, un mejor control del flujo en las salidas de lagos, estanques y embalses.

  • Vertedero crump
  • Vertedero de pesca
  • Estructura de caída
  • Presa de cresta fija
  • Represa de control internacional

Notas

  1. ^ "la definición de vertedero" . Dictionary.com . Archivado desde el original el 4 de marzo de 2017 . Consultado el 3 de marzo de 2017 .
  2. ^ "Weir" . www.etymonline.com . Diccionario de Etimología en línea. Archivado desde el original el 19 de marzo de 2017 . Consultado el 20 de mayo de 2017 .
  3. ^ "Vertederos - Medida de caudal" . www.engineeringtoolbox.com . Archivado desde el original el 4 de marzo de 2017 . Consultado el 3 de marzo de 2017 .
  4. ^ "Factores que afectan la precisión de la medición del caudal del vertedero" . openchannelflow.com . Archivado desde el original el 30 de julio de 2016 . Consultado el 2 de mayo de 2018 .
  5. ^ Shen , 1981 , p. B31, Equ 6.
  6. ^ Tummers y col. 2016 , págs. 183–194.
  7. ^ Silva y col. 2017 , págs. 291–302.
  8. ^ Michael Robinson; Robert Houghtalen. "Represas peligrosas" . Asociación de Canoa / Kayak de Rhode Island . Rhode Island. Archivado desde el original el 12 de agosto de 2010 . Consultado el 26 de junio de 2011 .
  9. ^ División de Parques y Embarcaciones de Ohio DNR. "Seguridad de la presa de Lowhead" . watercraft.ohiodnr.gov . Archivado desde el original el 30 de noviembre de 2016 . Consultado el 2 de mayo de 2018 .
  10. ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 2 de mayo de 2018 . Consultado el 15 de junio de 2017 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ) Escapar de una presa de baja altura
  11. ^ Baddour 2008 , págs. 260–262.

Trabajos citados

  • Akers, Peter (1978). Vertederos y canales para medición de caudal . ISBN 978-0471996378.
  • Baddour, Raouf E. (2008). "Ecuación de descarga de cabeza para vertedero polinomial de cresta afilada". Revista de Ingeniería de Riego y Drenaje . 134 (2): 260–262. doi : 10.1061 / (ASCE) 0733-9437 (2008) 134: 2 (260) . ISSN  0733-9437 .
  • Clemmens, Albert (2010). Medición de agua con canales y vertederos . ISBN 978-1887201544.
  • Shen, John (1981). Características de descarga de vertederos de placa delgada con muesca triangular (PDF) . Washington: Imprenta del Gobierno de los Estados Unidos.
  • Silva, Sergio; Lowry, Maran; Macaya-Solis, Consuelo; Byatt, Barry; Lucas, Martyn C. (2017). "¿Se pueden utilizar las esclusas de navegación para ayudar a los peces migratorios con bajo rendimiento a nadar a pasar las barreras de las mareas? Una prueba con lampreas" . Ingeniería Ecológica . 102 : 291-302. doi : 10.1016 / j.ecoleng.2017.02.027 . ISSN  0925-8574 .
  • Tummers, Jeroen S .; Invierno, Emily; Silva, Sergio; O'Brien, Pat; Jang, Min-Ho; Lucas, Martyn C. (2016). "Evaluación de la eficacia de un pase de pez deflector súper activo de Larinier para la lamprea de río europea Lampetra fluviatilis antes y después de la modificación con baldosas tachonadas montadas en la pared" . Ingeniería Ecológica . 91 : 183-194. doi : 10.1016 / j.ecoleng.2016.02.046 . ISSN  0925-8574 .

Otras lecturas

  • Chanson, H. (2004). La hidráulica del flujo de canal abierto: una introducción (2ª ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-5978-9.
  • Chanson, Hubert (2007). "Actuaciones hidráulicas de alcantarillas de mínima pérdida de energía en Australia". Revista de desempeño de instalaciones construidas . 21 (4): 264-272. doi : 10.1061 / (ASCE) 0887-3828 (2007) 21: 4 (264) . ISSN  0887-3828 .
  • González, Carlos A .; Chanson, Hubert (2007). "Medidas experimentales de distribuciones de velocidad y presión en un gran vertedero de cresta ancha". Instrumentación y Medición de Caudal . 18 (3-4): 107-113. doi : 10.1016 / j.flowmeasinst.2007.05.005 . ISSN  0955-5986 .
  • Henderson, FM (1996), Open Channel Flow , Nueva York: MacMillan Company
  • McKay, GR (1971). "Diseño de Alcantarillas de Energía Mínima". Informe de investigación, Departamento de Ingeniería Civil, Univ. de Queensland, Brisbane, Australia, 29 páginas y 7 láminas.
  • Sturm, Terry W. (2010). Hidráulica de canal abierto . McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-126793-9.

  • Hidráulica de mínima pérdida de energía (MEL) alcantarillas y vías fluviales de puentes (haga clic en "continuar" en la página web de asesoramiento de UQ-ITS)