Avances en la cuantificación hidrológica y caracterización hidráulica del flujo en el sistema fluvial del Río Carcarañá utilizando ADCP

Abstract

La cuantificación hidrológica de los escurrimientos en el sistema fluvial del río Carcarañá es fundamental para la gestión sustentable del recurso hídrico superficial en esa cuenca siendo la variable de interés a cuantificar el caudal superficial escurrido por los distintos tributarios en condiciones de aguas bajas, medias y altas (crecidas). En lo que respecta a la caracterización hidráulica, a pesar de que los principios básicos de la hidráulica de canales abiertos y el transporte de sedimentos relacionado con el flujo en canales rectos y uniformes se conoce lo suficiente no son siempre apropiados para cauces naturales en donde se presentan estructuras complejas y complicadas de analizar. En particular no se encuentran disponibles suficientes investigaciones para situaciones complejas típicas que se presentan en ríos y cauces naturales como por ejemplo en confluencias. La compleja hidrodinámica que tiene los flujos en cauces naturales también afecta notablemente los procesos de mezcla y hacen que las ecuaciones desarrolladas en la bibliografía presenten falencias importantes en algunos casos debido a que fueron desarrolladas en laboratorios o para cauces naturales con diferentes características a las del sistema de estudio. Para lograr avances en la cuantificación hidrológica y la caracterización hidráulica en el sistema fluvial de estudio fue necesario utilizar equipamiento con alta resolución espacial y temporal siendo los Perfiladores Acústicos Doppler (ADCP por siglas en inglés) la tecnología que satisface estos requerimientos. A pesar de los grandes avances que se han realizado en los últimos años en la implementación de esta técnica, todavía quedan aspectos de su implementación que requieren mayor investigación. En esta tesis se realizan contribuciones originales relacionadas a: a) la determinación del tiempo óptimo de registro en mediciones estacionarias de caudal con ADCP, b) la estimación de la incertidumbre en mediciones de caudal con ADCP desde plataformas móviles mediante el uso de métodos computacionales y c) la evaluación interinstitucional de métodos y técnicas experimentales a través de Regatas de Medición de caudal. En lo que se refiere específicamente a la cuantificación hidrológica, en esta tesis se realizan contribuciones importantes a la información hidrológica existente en el sistema fluvial (260 mediciones de caudal en 66 campañas) que permitieron generar herramientas para la gestión del recursos hídrico superficial en la cuenca como curvas que relacionan los valores de altura de superficie libre y caudal (H-Q) en los principales tributarios, verificación de la capacidad de los órganos de descarga de las principales presas del sistema y determinación de las capacidad de escurrimiento de los cauces. La principal contribución original en este aspecto está referida a la evaluación en el sistema fluvial de estudio de la ?Rugosidad inducida por la presencia de formas de fondo? ya que esta rugosidad afecta significativamente a las relaciones H-Q. En esta tesis se genera una nueva ecuación para determinar la rugosidad generada por formas de fondo partiendo de la base física que la resistencia por forma de fondo es generada por el arrastre que producen las mismas al flujo. Además, se propone una nueva metodología para determinar en campo los efectos de la rugosidad de las formas de fondo sobre el flujo (para su óptima parametrización) en base a medición de perfiles de velocidad con ADCP. Todos los desarrollos propuestos han sido evaluados con datos registrados específicamente en el sistema fluvial de estudio. En relación con la caracterización hidráulica del flujo, en esta tesis las principales contribuciones están relacionadas a la evaluación de los procesos de mezcla en una confluencia fluvial en ríos con diferente densidad en el sistema fluvial de estudio (confluencia de los Ríos Tercero y Saladillo). Esta confluencia presenta características particulares que resaltan las contribuciones realizadas en esta tesis: a) esta confluencia se produce en una curva; b) en esta confluencia las diferencias en densidades son producidas por los minerales disueltos en el agua por lo que presenta las mayores diferencias en condiciones de estiaje (con menores relaciones de momento entre los tributarios), poco común de observar. También se realizan contribuciones originales en la Determinación del Coeficiente de Dispersión Longitudinal en base a mediciones con ADCP de perfiles transversales de velocidad longitudinal. Así es posible realizar una cuantificación de este coeficiente utilizando información registrada en las 260 mediciones de campo realizadas con ADCP en el sistema fluvial de estudio para condiciones de aguas bajas, medias y altas por lo que fue posible evaluar su comportamiento a medida que las condiciones de flujo cambian. Finalmente, y no menos importante se realizan actividades de divulgación social de los resultados obtenidos y las problemáticas observadas.

The hydrological quantification of the Carcarañá River basin is important for the sustainable management of the surface water resource inthe basin. To carry on this quantification, measure the surface flow discharge of the different tributaries in low, medium and high-water conditions (flood)is needed. About hydraulic characterization, although the basic principles of open channel hydraulics and sediment transport related to flow in straight and uniform channels are well-known, hardly ever are appropriate for natural channels where there are complex structures to analyze. In particular, not enough research is available for typical complex situations that occur in rivers and natural channels such as confluences. The complex hydrodynamics of flows in natural channels also affects seriously the mixing processes and make the equations reported in the previous workshave important shortcomings in some cases due tothey were developed in laboratories or for natural channels with different characteristics of the river system analyzed.To achieve advances in hydrological quantification and hydraulic characterization in the fluvial study system, it was necessary to use equipment with high spatial and temporal resolution. The Acoustic Doppler Current Profilers (ADCP) are the technology that meets these requirements. Despite the great advances in recent years on the implementation of this technique, there are still aspects of its implementation that need further research. In this thesis, original contributions are made related to: a) the determination of the optimal sampling time in stationary flow measurements with ADCP, b)the estimation of the uncertainty in flow measurements made with ADCP from tethered boat through the use of computational methods and c) the inter-institutional evaluation of experimental methods and techniques through field inter-laboratory experiments called Regattas.With regard to hydrological quantification, an important contribution to the hydrological information existing in the fluvial system (260 flow discharge measurements in 66 field works) was made. The recorded data have allowed to generate tools to support the management of surface water resources in the basin. The tools generated are rating curves in the main tributaries, verification of the capacity of the discharge of the valves and spillways of the main dams of the system and determinationof over flood capacity of the channels. The main original contribution in this aspect is related to the evaluation in the fluvial system of "Roughness induced by the presence of bed forms" since this roughness affects significantly the rating curves. In this thesis a new equation is generated to determine the roughness generated by bed forms considering the flow resistance is generated by the drag that they produce to the flow. Also, a new methodology is proposed to determine in the field the effects of the roughness produced by the bed form on the flow (for optimal parametrization) based on the measurement of velocity profiles with ADCP. All the proposed developments have been evaluated with data recorded specifically in the fluvial study system. In relation to the hydraulic characterization of the flow, in this thesis the main contributions are related to the evaluation of the mixing processes in a fluvial confluence in rivers with different density in the study fluvial system (confluence of the Tercero and Saladillo Rivers). This confluence has particular characteristics that highlight the contributions made in this thesis: a) this confluence occurs in a bend; b) there are density differences produced by the dissolved minerals in the water. These density differences are very important in low water conditions (with lower moment relationships), which is uncommon to observe. Original contributions are also made in the Estimation of the Longitudinal Dispersion Coefficient using ADCP measurements of transversal velocity profile. The methodology developed allow to perform an estimation of this coefficient using information recorded in the 260 field measurements made with ADCP in the fluvial study system for low, medium and flood conditions, so it was possible to evaluate their behavior as the conditions of flow change. Finally, and not least, social outreach activities are carried out on the results obtained and the problems observed.