Estimación de la distribución relativa de esfuerzos de corte en canales con vegetación.

La presencia de vegetación en los cauces naturales afecta las condiciones del flujo y del transporte de sedimentos, fenómeno que a largo plazo condiciona la evolución morfológica de dichos hidrosistemas a diferentes escalas. A la escala de tramo, se ha evidenciado que la vegetación ejerce un importante control en la evolución del lecho y en la forma de las secciones transversales de los ríos, alterando también la dinámica de sus márgenes y su geometría en planta. Mediciones de campo, por otro lado, han demostrado que la vegetación puede ser útil en la mitigación de inundaciones y afectar los balances sedimentológicos, aspectos de interés en el manejo integrado de los recursos hídricos. De acuerdo con lo anterior, es de resaltar que la estimación acertada de los efectos de la presencia de la vegetación en los cauces naturales es de vital importancia en el entendimiento de los procesos que ocurren en los ríos, lo cual permite mejorar las predicciones de sus posibles respuestas. Estos hidrosistemas son altamente dinámicos, ya están expuestos ante un clima cambiante y son sometidos frecuentemente a procesos de alteración o intervención (de origen antrópica o natural), por lo tanto, la predicción acertada de su evolución puede tener un relevante impacto tanto científico como social. A escalas de proceso, la vegetación genera un incremento de la resistencia al flujo (esfuerzos de corte) que se traduce en un aumento de la rugosidad hidráulica local, lo cual disminuye la velocidad del flujo y promueve la sedimentación en estas zonas. De hecho, se ha demostrado que la vegetación modifica de manera significativa los perfiles verticales de velocidad, aspecto que condiciona por completo la hidrodinámica de un cauce natural. El nivel de afectación del perfil vertical de velocidad depende de la condición hidráulica de las plantas en relación con los niveles del flujo. De manera general, la vegetación puede encontrarse en dos tipos de condiciones hidráulicas: emergente (cuando la vegetación sobresale por encima de la superficie del agua) y sumergida (cuando la vegetación se encuentra completamente por debajo de la lámina del agua). En la actualidad, existen modelos que permiten estimar la rugosidad hidráulica incluyendo vegetación emergente, sumergida o algunos pocos que funcionan para ambos casos. Todos los modelos existentes se basan en un balance de cantidad de movimiento, en el cual se equilibra el esfuerzo de corte total con la suma de las dos contribuciones principales: el esfuerzo de corte en el lecho y el esfuerzo de corte absorbido por la vegetación. La forma más común de incluir las propiedades de la vegetación en los modelos matemáticos existentes para calcular del esfuerzo de corte absorbido por la vegetación, consiste en suponer que ésta se puede representar por medio de elementos cilíndricos rígidos distribuidos uniformemente en el lecho del canal, con la misma altura y diámetro. Dada la variabilidad en las características geométricas y de follaje que la vegetación puede tener en un río real, esta suposición es una fuerte simplificación de la realidad. Sin embargo, permite representar variados tipos de vegetación de forma esquemática y fácilmente cuantificable. A pesar de los avances realizados, investigaciones recientes han planteado la hipótesis de que la distribución del esfuerzo de corte total y los esfuerzos del lecho y de la vegetación, no puede ser aplicada de forma general. Esta hipótesis se fundamenta en que el esfuerzo absorbido por las plantas es dependiente de sus propiedades (altura, diámetro, densidad, flexibilidad, follaje, etc.), por lo tanto, entre más densa sea la cobertura vegetal menor será la influencia de la rugosidad del lecho y viceversa. Estos factores no son considerados actualmente, dado que las formulaciones existentes se fundamentan en un principio de superposición lineal, que tiene fundamentación física pero que no ha sido comprobado de manera sistemática y generalizada. Adicionalmente, las investigaciones que han intentado caracterizar la distribución relativa de estos esfuerzos en flujos con vegetación se han concentrado en la condición emergente, aspecto que permite identificar una brecha en el conocimiento y la necesidad de caracterizar el comportamiento de la vegetación en condición sumergida, ya que su impacto en el perfil vertical de velocidades es mucho más marcado. Adicionalmente, es de resaltar que pocos estudios han combinado el monitoreo simultáneo de las variables que se considerarán en este estudio. En este proyecto se realizará la caracterización de las componentes de esfuerzo descritas anteriormente, incluyendo la variación de las condiciones hidráulicas y de las características de las plantas. Dado el grado de detalle requerido para el estudio del fenómeno descrito, se plantea realizar una serie de experimentos de laboratorio. Considerando la versatilidad y correspondencia con los modelos matemáticos existentes se emplearán elementos cilíndricos rígidos de 1 cm de diámetro aproximadamente como vegetación, variando adicionalmente su altura y densidad. Los avances que se realicen en este proyecto contribuirán en la mejora de la descripción numérica de los procesos físicos y morfológicos presentes en los cauces naturales, hidrosistemas de alta relevancia para el medio ambiente y la sociedad. Se plantean tres fases a desarrollarse durante 18 meses en las que se ejecutará la instrumentación del canal de laboratorio existente, la calibración y/o verificación de los equipos de medición y los ensayos de laboratorio, se establecerán las distribuciones de cada componente de esfuerzo y se plantearán las relaciones funcionales entre ellas definiendo sus respectivos rangos de aplicación. El proyecto incluye la participación de la Dra. Alessandra Crosato, profesora Asociada del IHE Delft Institute for Water Education, investigadora con más de 30 años de experiencia en el tema de esta propuesta, con la cual se ha desarrollado trabajo conjunto desde 2016. La ejecución de este proyecto impulsará la carrera académica e investigativa del Investigador Principal del proyecto, Dr. Andrés Vargas Luna, profesor Asociado de la Pontificia Universidad Javeriana.