TítuloEstudio hidráulico en modelo de escalas de peixes de fenda vertical de fenda profunda aliñadas: aproximación á avaliación experimental da enerxía cinética turbulenta

Texto completo

(1)Luís Pena Mosquera. Luís Pena Mosquera. UNIVERSIDADE DA CORUÑA CITEEC Centro de Innovación Tecnolóxica en Edificación e Enxeñería Civil.. A proliferación de obras hidráulicas transversais nos cursos fluviais galegos supón unha grave ameaza para os nosos ecosistemas acuáticos, sendo os efectos negativos especialmente sensibles na icitiofauna migradora. A Lei de Pesca Fluvial 7/1992 establece que “os proxectos de tódalas presas, diques ou canles que se pretendan construír nas masas acuícolas co obxecto de facilita-las migracións periódicas dos peixes ó longo dos cursos fluviais deberán presentar [..]: a previsión da pertinente escala, paso, esclusa ou calquera outro dispositivo que permita o seu remonte para especies migratorias”.. Tese de doutoramento. As escalas de fenda vertical e as escalas de fenda profunda aliñadas son dispositivos de franqueo de obstáculos. A finalidade destas infraestructuras é garantir a conectividade lonxitudinal do sistema hídrico para facilitar o paso dos migradores a través dos obstáculos existentes na rede fluvial. O estudio experimental en modelo da hidrodinámica das escalas permitiranos coñecer o funcionamento hidráulico destes dispositivos para deseñar sistemas de paso para peixes efectivos. O obxectivo desta Tese de Doutoramento é o estudio experimental en modelo da hidrodinámica destas dúas tipoloxías de escalas de peixes mediante a avaliación sistemática das variables que caracterizan o fluxo, velocidades e calados, para un amplo espectro casuístico. O coñecemento de patróns de fluxo, relacións caudal-calado, velocidades máximas, velocidades en seccións críticas como a fenda, niveis de turbulencia, disipación de enerxía por unidade de volume contribuirá ó desenvolvemento desta importante tarefa da bioenxeñería, sendo unha das claves para manter a saúde do medio ambiente acuático continental.. AUTOR Luís Pena Mosquera DIRIXIDA POLO DOUTOR Jerónimo Puertas Agudo. UNIVERSIDADE DA CORUÑA CITEEC. A Coruña. Febreiro do 2004.

(2) UNIVERSIDADE DA CORUÑA. CITEEC Centro de Innovación Tecnolóxica en Edificación e Enxeñería Civil. Programa de Doutoramento de Enxeñería Civil. Tese de Doutoramento. Estudio hidráulico en modelo de escalas de peixes de fenda vertical e de fenda profunda aliñadas. Aproximación á avaliación experimental da enerxía cinética turbulenta.. AUTOR Luís Pena Mosquera DIRIXIDA POLO DOUTOR Jerónimo Puertas Agudo A Coruña. Febreiro do 2004.

(3)

(4) Ó meu pai, in memoriam..

(5)

(6) O vello cantaba unha lembranza. O mozo cantaba unha esperanza. O neno cantaba unha louvanza. Pobo meu: pois que cantas, érguete i anda. Viaxe ó país dos ananos. Celso Emilio Ferreiro..

(7)

(8) AGRADECEMENTOS. Este traballo, como case todo na vida, é debedor da súa historia. Escribir estes agradecementos significa voltar a vista atrás para reler o pasado, unha sementeira colectiva que dende fai catro anos comezou a agromar e que agora, felizmente, fructifica. Neste nadal, coa colleita, finaliza un ciclo e comeza o seguinte. Agradezo especialmente a aqueles que me deron todo, e non esperaron nada. Ós que están, e ós que marcharon. Ós que me quixeron, e ós que quixen. É o momento de lembrar... De lembrarme de Xan Neira que representa as fontes de cabeceira, onde o río agroma. El brindoume, de forma sincera e sen ningunha promesa, a oportunidade de iniciar este proxecto. Para ti, Xan, o meu agradecemento como “un canto al sol”. De lembrarme de Teresa Teijeiro con quen gustosamente traballei durante os últimos anos compartindo moitas horas para sentar as bases da metodoloxía experimental. Ti, Teresa, puxeches a primeira pedra e sobre o teu traballo o camiño foi máis sinxelo. De lembrarme de Ana Méndez, quen me introduciu no manexo dos velocímetros ADV e programou o sistema de post-procesado, pedra angular da investigación. Gracias Anita. De lembrarme, como se algunha vez o esquecera, de Luís Cea con quen compartín soños e ilusións. A súa axuda foi inestimable na análise espectral da turbulencia. Bicos Luís. De lembrarme do persoal do CITEEC que colaborou activamente na realización desta tese aportando cada un a súa pequena-gran gota de auga. Eles fixeron que o traballo fose máis agradable e en moitos casos máis divertido. A todos vós que me agasallastes coa vosa desinteresada amizade: Gonzalo Álvarez, Roberto Camba, Pilar del Castillo, Blanca Del Hoyo, Francisco Iglesias, José Luís Ledo, José Carlos Mascareñas, Félix Nieto, José María Nieto, Miguel Pallas, Juan Rabuñal, Paula Romero (fundamental o seu traballo na expresión gráfica), Félix Sánchez, Esteban Sixto, Daniel Villares. E como acto simbólico de clausura, pecho premeditadamente estas verbas sinceras, lembrándome de Jerónimo Puertas. Indubidablemente a cerna deste proxecto. Con el aprendín a rigorosidade do traballo científico, a exactitude na crítica mesurada e o compromiso da responsabilidade. Acollíchesme sen esixencias, con xenerosidade. Jerónimo, é un pracer traballar contigo. O río chega mansamente á súa fin. Acariciando a brisa do mar, só fican os agradecementos que se selan indeleblemente con bágoas e sangue: Mamá, Modes, Lucía, Carme. A vosa ledicia é a miña ledicia. A todos vós que dalgunha maneira deixastes unha pegada no meu corazón, simplemente GRACIAS.. Viveiro, Decembro do 2003..

(9)

(10) Índice. ÍNDICE. CAPÍTULO 1. RESUMO E CONCLUSIÓNS (BILINGÜE)) ............................ 1.1 GALEGO. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4.. INTRODUCCIÓN.........................................................................................1.3 OBXECTIVO ................................................................................................ 1.4 RESUMO ...................................................................................................... 1.3 CONCLUSIÓNS ...........................................................................................1.4 1.4.1. Metodoloxía experimental................................................................. 1.4 1.4.2. Hidrodinámica das escalas.................................................................1.7 1.4.2.1. Escalas de fenda vertical..................................................... 1.7 1.4.2.2. Escalas de fendas profundas aliñadas............................... 1.10 1.4.3. Enerxía disipada .............................................................................. 1.14 1.4.4. Enerxía cinética turbulenta .............................................................. 1.15 1.4.4.1. Escalas de fenda vertical................................................... 1.15 1.4.4.2. Escalas de fenda profunda aliñadas .................................. 1.16 1.4.5. Modelización da turbulencia ...........................................................1.16 1.5. LIÑAS FUTURAS ...................................................................................... 1.18 CASTELLANO. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4.. INTRODUCCIÓN....................................................................................... 1.21 OBJETIVO .................................................................................................. 1.22 RESUMEN .................................................................................................. 1.22 CONCLUSIONES....................................................................................... 1.24 1.4.1. Metodología experimental............................................................... 1.24 1.4.2. Hidrodinámica de las escalas........................................................... 1.25 1.4.2.1. Escalas de hendidura vertical ...........................................1.25 1.4.2.2. Escalas de hendiduras profundas alineadas ...................... 1.28 1.4.3. Energía disipada .............................................................................. 1.32 1.4.4. Energía cinética turbulenta .............................................................. 1.33 1.4.4.1. Escalas de hendidura vertical ...........................................1.33 1.4.4.2. Escalas de hendidura profunda alineadas .........................1.34 1.4.5. Modelización de la turbulencia ....................................................... 1.34 1.5. LÍNEAS FUTURAS........................................................................1.36. CAPÍTULO 2. ESTADO DO COÑECEMENTO ................................................ 2.3 2.1. INTRODUCCIÓN.........................................................................................2.3 2.2. BASES HIDRO-BIOLÓXICAS ................................................................... 2.4 2.2.1. Introducción....................................................................................... 2.4 2.2.2. Condicionantes hidrobiolóxicos ........................................................ 2.4 2.2.3. Peixes migradores.............................................................................. 2.8 2.2.4. Concepto de migración. Efecto Barreira. ........................................ 2.11 2.2.5. Capacidades de natación..................................................................2.14.

(11) Índice 2.2.5.1. Velocidades de natación e distancias percorridas............. 2.14 2.2.5.2. Capacidade de salto .......................................................... 2.20 2.3. DISPOSITIVOS DE FRANQUEO DE OBSTÁCULOS............................2.21 2.3.1. Introducción..................................................................................... 2.21 2.3.2. Xeralidades ......................................................................................2.23 2.3.2.1. Implantación dos dispositivos ..........................................2.24 2.3.2.2. Condicións hidrodinámicas .............................................. 2.25 2.3.2.3. Caudal de atracción complementario ...............................2.26 2.3.2.4. Eficiencia e eficacia dos dispositivos ............................... 2.26 2.3.3. Dispositivos de franqueo: tipoloxías ............................................... 2.27 2.3.3.1. Introducción......................................................................2.27 2.3.3.2. Dispositivos de baixada....................................................2.28 2.3.3.3. Dispositivos descontinuos ................................................ 2.29 2.3.3.3.1. Sistemas de captura e transporte.....................2.29 2.3.3.3.2. Esclusas de Peixes ..........................................2.30 2.3.3.3.3. Ascensores de Peixes......................................2.31 2.3.3.4. Ríos artificiais................................................................... 2.32 2.3.3.5. Escalas de peixes ..............................................................2.33 2.3.3.5.1. Escalas de ralentizadores ................................ 2.33 2.3.3.5.2. Escalas de depósitos sucesivos ....................... 2.36 2.3.3.5.3. Escalas de fenda vertical................................. 2.39 2.3.3.6. Outros dispositivos continuos...........................................2.41 2.3.3.6.1. Pasos rústicos.................................................. 2.41 2.3.3.6.2. Rampas para peixes ........................................2.41 2.3.3.6.3 Represas..........................................................2.43 2.3.3.7. Dispositivos específicos. ..................................................2.43 2.3.4. Tendencias xeográficas.................................................................... 2.44 2.4. ESTUDIOS HIDRÁULICOS EN ESCALAS DE PEIXES........................2.46 2.4.1. Introducción..................................................................................... 2.46 2.4.2. Escalas de ralentizadores ................................................................. 2.46 2.4.2.1. Ralentizadores Planos.......................................................2.46 2.4.2.2. Ralentizadores de Fondo ..................................................2.51 2.4.3. Escalas de depósitos sucesivos ........................................................ 2.52 2.4.4. Escala multifuncional ...................................................................... 2.57 2.4.5. Hidráulica de escalas de fenda vertical............................................ 2.60 2.4.6. Estudios biolóxicos en escalas de peixes.........................................2.72 2.5. LEXISLACIÓN AUTONÓMICA ..............................................................2.74 CAPÍTULO 3. PLANEAMENTO E METODOLOXÍA EXPERIMENTAL.... 3.3 3.1 PLANEAMENTO EXPERIMENTAL .........................................................3.3 3.1.1. Obxectivos .........................................................................................3.3 3.1.2. Planificación experimental ................................................................3.3 3.2. METODOLOXÍA EXPERIMENTAL..........................................................3.6 3.2.1. Laboratorio de hidráulica...................................................................3.6 3.2.1.1. Circuíto hidráulico..............................................................3.6 3.2.1.2. Canal de ensaios ................................................................. 3.8 3.2.2. Modelo da escala de peixes ...............................................................3.9 3.2.3. Instrumentación ............................................................................... 3.11 3.2.3.1. Caudalímetro ....................................................................3.11.

(12) Índice 3.2.3.2. 3.2.3.3. 3.2.3.4. 3.2.3.5. 3.2.3.6.. Sensor de calado ............................................................... 3.12 Velocímetro ...................................................................... 3.13 Sistema de posicionamento cartesiano .............................3.14 Sensores de posición......................................................... 3.16 Instrumentación complementaria .....................................3.17 3.2.3.6.1. Módulo de acondicionamento do sinal...........3.17 3.2.3.6.2. Dispositivo de adquisición NI-DAQ ..............3.18 3.2.3.6.3. Programa de adquisición ................................ 3.18 3.2.3.7. Calibración e verificación da instrumentación ................. 3.19 3.2.4. Estratexia de adquisición de datos................................................... 3.21 3.2.4.1.1. Mallas de medida tridimensionais ..................3.21 3.2.4.1.2. Intervalos de medida....................................... 3.22 3.2.4.1.3. Protocolo de adquisición de datos ..................3.23 3.2.4.1.4. Sistema de preprocesado ................................ 3.24 CAPÍTULO 4. ANÁLISE E RESULTADOS EXPERIMENTAIS.....................4.3 4.1. Semellanza hidráulica.................................................................................... 4.3 4.2. Análise dimensional ......................................................................................4.6 4.3. Escalas de Fenda Vertical..............................................................................4.8 4.3.1. Ensaios Realizados ............................................................................4.8 4.3.2. Ecuacións de Descarga ......................................................................4.9 4.3.3. Lámina Superficial .......................................................................... 4.11 4.3.3.1. Calados Característicos..................................................... 4.11 4.3.3.2. Patróns da Lámina Superficial.......................................... 4.13 4.3.4. Campos de Velocidades................................................................... 4.15 4.3.4.1. Campos de Velocidades Horizontais................................4.15 4.3.4.2. Patróns de Fluxo ...............................................................4.16 4.3.4.3. Bidimensionalidade ..........................................................4.20 4.3.4.4. Distribución Vertical das Velocidades .............................4.22 4.3.4.5. Relacións Velocidade-Caudal........................................... 4.25 4.3.4.6. Velocidades na fenda e velocidades máximas.................. 4.30 4.3.5. Enerxía............................................................................................. 4.37 4.3.5.1. Enerxía Disipada............................................................... 4.37 4.3.5.2. Enerxía Cinética Turbulenta............................................. 4.40 4.4 Escalas de Fenda Profunda Aliñadas........................................................... 4.50 4.4.1. Ensaios Realizados .......................................................................... 4.50 4.4.2. Ecuacións de Descarga .................................................................... 4.51 4.4.3. Lámina Superficial .......................................................................... 4.56 4.4.3.1. Calados Característicos..................................................... 4.56 4.4.3.2. Patróns da Lámina Superficial.......................................... 4.58 4.4.4. Campos de Velocidades................................................................... 4.60 4.4.4.1. Campos de Velocidades Horizontais................................4.60 4.4.4.2. Relacións Velocidade-Caudal........................................... 4.68 4.4.5. Enerxía............................................................................................. 4.78 4.4.5.1. Enerxía Disipada............................................................... 4.78 4.4.5.2. Enerxía Cinética Turbulenta............................................. 4.80 4.5. Aproximación á modelización da turbulencia .............................................4.89 4.5.1. Introducción..................................................................................... 4.89 4.5.2. Variacións sobre a Metodoloxía Experimental ............................... 4.90.

(13) Índice 4.5.3. Espectro de enerxía no dominio da frecuencia................................4.91 4.5.3.1. Escalas de Fenda Vertical................................................. 4.92 4.5.3.2. Escalas de Fenda Profunda Aliñadas................................ 4.95 4.5.4. Coeficiente de Isotropía...................................................................4.98 4.5.4.1. Escalas de Fenda Vertical................................................. 4.99 4.5.4.2.Escalas de Fenda Profunda Aliñadas................................. 4.101 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ÍNDICE DE TÁBOAS ÍNDICE DE FIGURAS.

(14) Capítulo 1 Resumo e Conclusións (Bilingüe).

(15)

(16) Resumo e Conclusións. Capítulo 1. Resumo e Conclusións (Bilingüe) Galego. 1.1. Introducción As obras hidráulicas transversais como as presas, azudes, diques e outros obstáculos producen importantes cambios nas características do ecosistema fluvial (Clay, 1995) especialmente sobre as poboacións piscícolas. Un dos máis importantes efectos directos sobre a ictiofauna continental é que constitúen unha barreira física para os movementos naturais dos peixes (Larinier, 1998) o que repercute negativamente sobre a fauna migradora. O resultado da interrupción da libre circulación nos ríos é a diminución, e nalgúns casos a completa desaparición dalgunhas especies (Jungwirth, 1998; Peter, 1998). A Lei de Pesca Fluvial 7/1992 establece a potestade da Consellería de Agricultura, Gandería e Montes da Xunta de Galicia para a “eliminación dos obstáculos naturais ou a súa modificación para facilita-la circulación dos peixes ó longo dos cursos de auga [...], especialmente nos ríos salmoneiros e de reos e, cando isto non sexa posible, o emprego dos medios substitutivos que aseguren o ciclo biolóxico da riqueza piscícola nos distintos treitos do río”. Así mesmo enuncia para “os proxectos de tódalas presas, diques ou canles que se pretendan construír nas masas acuícolas co obxecto de facilita-las migracións periódicas dos peixes ó longo dos cursos fluviais deberán presentar [..]: a previsión da pertinente escala, paso, esclusa ou calquera outro dispositivo que permita o seu remonte para especies migratorias”. Os dispositivos de franqueo son infraestructuras coa finalidade de garantir a conectividade lonxitudinal do sistema hidráulico e así facilitar o paso dos migradores a través dos obstáculos existentes na rede fluvial. Os primeiros intentos de construcción de dispositivos de franqueo de obstáculos dos que se teñen constancia foron feitos no século XVII (Clay, 1995) aínda que posiblemente xa existiran anteriormente construccións deste tipo en obstruccións naturais relacionadas coa pesca continental. A principios do século pasado, Denil (1909) publica un traballo sobre un dispositivo deseñado en base a criterios científicos, sendo a mediados do século cando reciben un pulo importante coas recomendacións feitas polo Committee on FishPasses (1942) e polas investigacións realizadas para a construcción das obras do Hell´s Gate no río Fraser en Canadá.. 1.3.

(17) Capítulo 1. As escalas de peixes son os dispositivos con máis ampla difusión no mundo. Consisten, de forma xeral, nunha canle en pendente dividida por tabiques transversais de diferentes deseños que conforman unha serie de depósitos ou piscinas sucesivas. A altura do obstáculo a franquear é dividida en pequenos saltos, creando as condicións hidrodinámicas óptimas para que os migradores podan remontalos con facilidade. As características xeométricas dos estanques e dos tabiques serán os principais parámetros que definirán o comportamento hidráulico do dispositivo (Larinier, 1998). As escalas de fenda vertical e as escalas de fendas profundas aliñadas pertencen a esta tipoloxía de dispositivos de franqueo de obstáculos. Os modelos físicos en obras hidráulicas caracterízanse por ser entidades máis accesible e sinxelos de manexar que o proceso hidráulico real. O estudio experimental en modelo da hidrodinámica destas escalas permitiranos a adquisición dun coñecemento fundamental sobre o funcionamento hidráulico destes dispositivos para a súa posterior adaptación ás cualidades das especies obxectivo. Coa aplicación dos coñecementos adquiridos poderemos deseñar sistemas de paso para peixes efectivos, sendo esta unha das claves para manter a saúde do medio ambiente acuático continental (Odeh, 1999).. 1.2. Obxectivo O principal obxectivo desta tese é o estudio experimental do comportamento hidráulico de dúas tipoloxías de escalas de peixes mediante a avaliación sistemática de calados e velocidades. Estes dous tipos de escala son: as escalas de fenda vertical e as escalas de fendas profundas aliñadas. O estudio realizarase en laboratorio sobre un modelo físico reducido para un réxime de fluxo uniforme. En cada unha das dúas tipoloxías estudiáronse dous deseños básicos da configuración dos tabiques que conforman as piscinas. Serán analizadas para dúas pendentes xeométricas diferentes, 5.7% e 10.054%, no caso da tipoloxía de fenda vertical; e na pendiente do 10.054% para a tipoloxía de fenda profunda. Establécese un obxectivo máis, realizar unha aproximación á medición e á análise da intensidade da trubulencia nas escalas, así como das súas características físicas (isotropía). Parte da labor experimental necesaria para cumprir cos obxectivos marcados, como a elaboración dunha metodoloxía e o estudio hidráulico experimental das escalas de fenda vertical, forman parte da liña de traballo do grupo de investigación (Teijeiro, 2001; Pena, 2003; Puertas, 2004). A análise dos resultados experimentais acadados, o deseño e avaliación hidráulica dun novo tipo de escala, a escala de fendas profundas aliñadas, e a adquisición de velocidades turbulentas para unha ampla variedade de condicións experimentais son resultados orixinais e non publicados.. 1.3. Resumo Esta Tese de Doutoramento divídese en cinco capítulos. No Capítulo 1, realízase a unha síntese do documento incluíndo un resumo do traballo desenvolvido, 1.4.

(18) Resumo e Conclusións recompilación das conclusións máis importantes e unha indicación das posibles liñas de traballo a seguir en futuras investigacións. Este capítulo é bilingüe, galego-castelán. No Capítulo 2, preséntanse os principais aspectos do estado do coñecemento sobre o deseño de dispositivos de franqueo de obstáculos e sobre os estudios hidráulicos en escalas para peixes existentes na literatura científica. Os dispositivos de franqueo de obstáculos deben axustarse ás cualidades e preferencias das especies piscícolas obxectivo. Para coñecer ditas capacidades faise un repaso das características biolóxicas das especies máis comúns dos ríos galegos, centrándose especialmente no seus ciclos biolóxicos e nas capacidades de remonte. Realízase unha descrición detallada das diferentes tipoloxías de dispositivos de franqueo, incidindo nas súas características constructivas especialmente relacionadas coa hidrodinámica da obra. Inclúense recomendacións xerais para implantación dos dispositivos así como unha síntese da evolución histórica destes dispositivos. Finalmente, faise un compendio non exhaustivo da utilización dos dispositivos de franqueo nos diferentes países do mundo. Dentro dos estudios hidráulicos en modelo consultados polo autor, resúmense os máis importantes, subliñando especialmente os traballos iniciados por N. Rajaratnam, C. Katopodis e colaboradores da Universidade de Alberta que teñen a súa continuación nas investigacións levadas a cabo no CITEEC por L. Pena, J. Puertas e T. Teijeiro. Estes estudios son a base de partida desta Tese de Doutoramento. Nun epígrafe final, reprodúcense os apartados máis interesantes da lexislación autonómica vixente en Galicia relacionados coa implantación das obras de paso: a Lei 7/1992 de pesca fluvial, e o regulamento de ordenación de pesca fluvial dos ecosistemas acuáticos continentais, Decreto 130/1997. No Capítulo 3, descríbese o planeamento experimental así como a metodoloxía seguida para conseguir os obxectivos propostos. No planeamento experimental fíxanse os obxectivos da investigación e realízase unha planificación xeral do que será o traballo experimental. Preséntase a infraestructura utilizada no laboratorio de hidráulica: circuíto hidráulico, canle de fluxo en lámina libre, sistemas de control e o modelo de escala propiamente dito. Móstranse as características da instrumentación de medida e defínese a estratexia de adquisición de datos. Os resultados experimentais obtidos e a súa análise son presentados no Capítulo 4. Estructúrase este capítulo en tres grandes bloques. Nos dous primeiros caracterízase hidraulicamente as escalas de fenda vertical e as escalas de fendas profundas aliñadas, respectivamente. Nun terceiro bloque faise unha aproximación á análise da turbulencia en ambas tipoloxías. A caracterización hidráulica tenta describir o fluxo que se desenvolve nas escalas en base ó estudio dos dous parámetros máis importantes: a velocidade da auga e a altura da lámina superficial. A partir do gran volume de datos obtidos durante o desenvolvemento da campaña experimental conseguiuse unha descrición pormenorizada da hidrodinámica do fluxo. Obtivéronse as ecuacións adimensionais que relacionan caudal e calado, os patróns da lámina superficial e os campos de velocidades. Calculáronse as relacións da velocidade da auga con factores como o caudal, a altura, ou a pendente, e estudiáronse os niveis de enerxía disipada por unidade de volume e de enerxía cinética turbulenta. O estudio experimental da enerxía cinética turbulenta en dispositivos de franqueo é un tema innovador e practicamente inédito na bibliografía manexada polo autor. Nesta faceta do estudio da turbulencia, afondase no terceiro bloque, onde se realiza unha análise no dominio da frecuencia das velocidades turbulentas e defínese un coeficiente para valorar a isotropía da turbulencia. 1.5.

(19) Capítulo 1 O último apartado inclúe, alfabeticamente ordenadas, as referencias bibliográficas utilizadas como base documental para o presente traballo.. 1.4. Conclusións 1.4.1. Metodoloxía experimental Conseguiuse poñer a punto unha instalación experimental de alta complexidade instrumental cun sistema de medida fiable para caracterizar de forma rigorosa as variables fundamentais da hidráulica de canais (velocidade e calados) no modelo. A metodoloxía experimental, dunha considerable innovación científica e tecnolóxica, permítenos a adquisición de gran cantidade de información cun alto grado de automatización ademais dunha sinxela utilización. A metodoloxía experimental levouse a cabo en modelo reducido. Sobre unha canle rectangular en pendente colocáronse 10 tabiques transversais. Existen dous configuracións dos tabiques transversais, de forma que das nove piscinas presentes as catro primeiras son dun formato, configuración tipo T1 e as catro últimas dunha configuración diferente tipo T2 (Figura 1.1). Entre ambos tipos existe unha piscina de transición. VISTA EN PLANTA. UNIDADES: Milímetros. 1 523. 2. 3. 1213. X. 4. Y. DESEÑO T2. 5. 6. 7. 1213. 8. 9. 540. DESEÑO T1. VASO INICIAL. VASO FINAL. 846. L=1213 = 8.09b. 15. 0. 62. b=. 121. Deseño T1. Deseño T2. Figura 1.1. Dimensións do modelo experimental da escala e detalles das configuracións dos deseños T1 e T2. Nas escalas de fenda profunda aliñadas colocáronse consecutivamente zócalos de diferentes alturas (0.10, 0.20, 0.30, 0.40, 0.50 m) na base da fenda. A evaluación espacial das magnitudes hidrodinámicas (velocidade e calado) realizouse en mallas tridimensionais de puntos de medida (bidimensionais no caso do calado) con celdas de 10x10x10 cm. En zonas consideradas de fluxo complexo a densidade da retícula de puntos foi maior, 5x5x10 cm. Nas escalas de fenda vertical o ámbito da campaña experimental abarca dúas pendentes xeométricas da escala, na Táboa 1.1 pode verse un resumo. O incremento. 1.6.

(20) Resumo e Conclusións entre dous caudais experimentais consecutivos foi de 10 l/s, dependendo o número de alturas adquiridas do caudal ensaiado. Escalas de Fenda Vertical Deseño T1. Deseño T2. S. Q (l/s). Nº Alt.. Ptos/Alt. Q (l/s). Nº Alt.. Ptos/Alt. 5.7%. 16-74. 1-6. 101. 16-84. 1-7. 132. 10.054%. 35-115. 1-6. 140. 25-125. 1-6. 132. Táboa 1.1. Resumo dos ensaios realizados nas escalas de fenda vertical para ambos deseños.. Nas escalas de fenda profunda aliñadas evaluáronse experimentalmente para cinco alturas de zócalo diferente e unha pendente xeométrica de 10.054% segundo se pode ver na Táboa 1.2. Escalas de Fenda Profunda Aliñadas Deseño T1. Deseño T2. Zoc. (cm). Q (l/s). Nº Alt.. Ptos/Alt. Q (l/s). Nº Alt.. Ptos/Alt. 10. 25-94. 2-7. 140. 26-95. 2-7. 132. 20. 24-75. 3-7. 140. 25-75. 3-8. 132. 30. 26-75. 3-7. 140. 25-65. 4-8. 132. 40. 25-65. 4-7. 140. 25-55. 5-7. 132. 50. 25-55. 5-7. 140. 25-44. 6-7. 132. Táboa 1.2. Resumo dos ensaios realizados nas escalas de fenda profunda aliñadas para ambos deseños.. 1.4.2. Hidrodinámica das escalas 1.4.2.1.. Escalas de fenda vertical. Atopáronse as ecuacións adimensionais que relacionan o caudal e os calados y significativos. Os valores do coeficiente α, ( Q A = α o ), indican a pendente, sendo yo o b calado medio na sección transversal central, e QA un caudal adimensional definido por Q A = Q g b 5 . Un factor de proporcionalidade maior (o que implica unha pendente da recta maior) significa que para un mesmo caudal o calado acadado é menor, e por tanto, as velocidades previstas serán maiores o que supón unha maior eficiencia para desaugar. Se comparamos os resultados acadados entre ambos deseños podemos observar que, para cada pendente xeométrica, os coeficientes de proporcionalidade das ecuacións de descarga do deseño T2 son maiores que os coeficientes do deseño T1. Os resultados obtidos son amosados na Táboa 1.3 incluíndo as relacións co caudal adimensional Q* definido por Q * = Q gS o b 5 . Na Táboa 1.3 tamén podemos observar as relacións lineais adimensionais entre o calado medio na sección transversal central, yo/b, e outros calados característicos como o calado máximo na piscina, ymax/b, o calado na fenda, yb/b, o calado medio, ym/b, e o calado mínimo, ymin/b. 1.7.

(21) Capítulo 1 Deseño. So. QA. Ymin/b. Yb/b. Ymax/b. Ym/b. 5,7%. 0.631Yo/b. 0.9739Yo/b-0.1409. 0.9758Yo/b+0.2512. 0.9993Yo/b+0.3018. 1.015Yo/b. 0.9742Yo/b - 0.3822 1.0008Yo/b+0.2918. 1.021Yo/b+0.6133. T1. (0.9986). (0.9946). (0.9944). (0.9992). Q*. 2.7289Yo/b. (0.9998). (0.9872). 10.054%. 0.8888Yo/b (0.9889). 1.033Yo/b. (0.9979). (0.9933). 0.6867Yo/b. 0.9789Yo/b-0.2871. 1.031Yo/b+0.0407. 1.0065Yo/b+0.3583 1.0183Yo/b (0.9997). (0.9994). 10,054% 0.9988Yo/b. 0.9196Yo/b-0.4069. 0.9949Yo/b+0.2826. 1.0323Yo/b+0.4811. 1.0002Yo/b. 5,7%. T2. (0.9903). (0.9903). (0.9994). (0.9983). (0.9996). (0.9987). 3.0382Yo/b (0.9783). (0.9965). (0.9949). (0.9982). (0.9997). Táboa 1.3. Ecuacións adimensionais caudal-calado, e relación entre os diferentes calados 2 característicos e o calado adimensional yo/b. Entre parénteses o coeficiente de correlacións r .. Na Figura 1.2 podemos observar os valores experimentais acadados e as relacións lineais calculadas para unha pendente do 10%. a) 5. b) 6. Deseño T1, So=10.054%. 5. y b/b, y m/b, y max/b, ymin /b. 4. y b/b, ym/b, ymax/b, ymin /b. Deseño T2, So=10.054%. 3. 2. 4. 3. 2. ymax/b. ymax/b. yb/b. 1. yb/b. 1. ym/b. ym/b. ymin/b. ymin/b. 0. 0. 0. 1. 2. y o/b. 3. 4. 5. 0. 1. 2. y o/b 3. 4. 5. Figura 1.2. Valores experimentais dos calados característicos (yb, ym, ymin, ymax) fronte ó calado medio na sección transversal central (yo); e relacións lineais calculadas segundo se pode ver na Táboa 1.3.. O comportamento da superficie libre da auga depende intimamente da configuración dos tabiques que conforman os dous deseños de piscinas. De forma xeral, para ambas pendentes e deseños, existe sempre unha zona de calados elevados na rexión augas arriba da fenda, así como na área máis augas abaixo, próxima ó tabique maior. Na fenda, existe un descenso brusco do calado; e na zona posterior á fenda, seguindo o fluxo da auga, pode observarse unha área de calados mínimos cunha forma aproximadamente circular. Na Figura 1.3 podemos ver un exemplo da superficie libre da auga para o deseño T1 na pendente superior cun caudal de Q=0.065 m3/s.. 1.8.

(22) Resumo e Conclusións 0 Cm. 50. 100. 150. Eixe X. Eixe Y. 0 Cm. Deseño T1, So=10.054%. CALADOS 45.8 44.6 43.5 42.4 41.3 40.1 39.0 37.9 36.7 35.6 34.5 33.4 32.2 31.1 30.0. 100. 50. Fluxo. 3. Figura 1.3. Liñas de contorno da superficie libre da auga, para un caudal de Q=0.065 m /s para o deseño T1 cunha pendente do So=10.054%.. Os patróns da configuración da superficie da auga son independentes do caudal, co que o funcionamento destes deseños de escala de fenda vertical permanecen estables fronte ás posibles variacións do caudal que discorre polo dispositivo. Esta estabilidade é unha das características máis importantes en canto á aptitude das escalas de fenda vertical. O fluxo establecido nas escalas de fenda vertical é fundamentalmente bidimensional. Desenvólvese en planos paralelos á soleira, con velocidades verticais de escasa importancia excepto na rexión da fenda. As velocidades nunha vertical son constantes independentemente da distancia da soleira. Foron definidos os patróns de fluxo (Figura 1.4) que presentaban de forma xeral dúas rexións. Unha zona onde o fluxo circula, con traxectoria curvilínea, directamente dunha fenda á fenda seguinte con altas velocidades, denominada Rexión de Fluxo Directo. E unha zona caracterizada pola existencia de remuíños de eixe vertical, velocidades menores e por fluxos en sentido inverso, Rexión de Recirculación (RR). Dúas rexións de recirculación de distinto tamaño, divididas pola rexión de fluxo directo, son identificadas nos planos horizontais de velocidades. a). b). Figura 1.4. Patrón. xerais da conformación do fluxo da auga en planos paralelos á soleira, a) deseño T1, b) deseño T2.. As velocidades, en xeral, aumentan coa pendente, mantéñense independentes do caudal circulante, e son superiores para o deseño T2 (Táboa 1.4).. 1.9.

(23) Capítulo 1 V (cm/s). Deseño T1 5,7% 28 8 95. Zona 1 Zona 2 Zona 3. Deseño T1 10% 26 16 97. Deseño T2 5,7% 50 7 105. Deseño T2 10% 62 10 138. Táboa 1.4. Valores promedio do módulo do vector velocidade (cm/s) para cada unha das zonas representativas (Zona 1=zona de fluxos inversos na rexión de recirculación, Zona 2=zona central dos remuíños da rexión de recirculación, Zona 3= rexión de fluxo directo).. Na Táboa 1.5 e na Táboa 1.6 podemos observar as velocidades na fenda e as velocidades máximas atopadas para os dous deseños e as dúas pendentes estudiadas. Estas velocidades son proporcionais á pendente e maiores no deseño T2 en comparación co deseño T1. Deseño T1 5,7% 93.7. Vf (cm/s). Deseño T1 10% 111.3. Deseño T2 5,7% 97.7. Deseño T2 10% 129.9. Táboa 1.5. Valores do módulo do vector velocidade na fenda promediado co caudal para cada unha das situacións experimentais estudiadas.. Vmax (cm/s). Deseño T1 5,7%. Deseño T1 10%. Deseño T2 5,7%. Deseño T2 10%. 113.71. 121.36. 132.62. 165.14. Táboa 1.6. Valores promedio do módulo da velocidade máxima para cada unha das catro situacións experimentais.. 1.4.2.2.. Escalas de fendas profundas aliñadas. Obtivéronse as ecuacións de descarga que establecen a relación entre caudal e calado. Na Táboa 1.7 poden verse estas relacións, entre o caudal adimensional, QA e o calado medio na sección transversal central, yo. Verificouse que estas relacións eran lineais cun término independente que é función da altura do zócalo e que dependían configuración dos tabiques que conforman as piscinas. Deseño T1; So=10.054%. QzA10. QzA20. QzA30. 0.7939 yo/b -0.583 (0.9956). 0.8185 yo/b -1.040 (0.9862). 0.8571 yo/b –1.666 (0.9746). QzA10. QzA20. QzA40. QzA50. 0.8174 yo/b – 1.981 0.7741 yo/b – 2.264 (0.9968) (0.9978). Deseño T2; So=10.054% 0.8438 yo/b – 0.545 0.6768 yo/b – 0.680 (0.9991) (0.9992). QzA30 0.7314 yo/b – 1.269 (0.9991). QzA40. QzA50. 0.7722 yo/b – 1.880 0.7199 yo/b - 2.142 (0.9973) (0.9998). Táboa 1.7. Ecuacións de descarga para os dous deseños básicos e para cada un dos cinco zócalos A colocados, 0.10 , 0.20, 0.30, 0.40, e 0.50 m en función do caudal adimensional Q e o calado yo/b. 2 Entre parénteses o coeficiente de correlación r .. Agrupáronse os resultados experimentais das escalas de fenda profunda cos resultados obtidos nas escalas de fenda vertical (Figura 1.5); para tal fin relacionouse o y −z caudal adimensional QA fronte a o . b 1.10.

(24) Resumo e Conclusións 5.0. 5.0. Título del gráfico Deseño T1. QA. 4.5. 4.5. 4.0. 4.0. 3.5. 3.5. 3.0. 3.0. 2.5. 2.5. 2.0. 2.0. 1.5. 1.5. 1.0. 1.0. 0.5. Título del gráfico Deseño T2. QA. 0.5. (y o-z)/b. 0.0 0. 1. 2. 3. 4. 5. (y o-z)/b. 0.0 0. 1. 2. 3. 4. 5. Figura 1.5. Relacións caudal-calado nas escalas de fenda profunda aliñadas e nas escalas de fenda vertical (S0=10%).. Estudiáronse profundamente os patróns da lámina libre superficial e os distintos calados característicos (calado máximo, calado medio, calado mínimo, calado na fenda, calado medio na sección transversal central). Foron atopadas as ecuacións que relacionan os diferentes calados característicos co calado medio na sección transversal central (Táboa 1.8).. Zócalo 10 cm ymax/b yb/b ym/b ymin/b. Deseño T2; So=10.054% Zócalo 20 cm Zócalo 30 cm Zócalo 40 cm. 1.0187 yo/b + 0.573 1.0561 yo/b + 0.540 (0.9971) (0.9852) 1.0793 yo/b - 1.055 0.9862 yo/b – 1.620 (0.9995) (0.9992) 1.0032 yo/b + 0.064 0.9888 yo/b + 0.08 (0.9998) (0.9998) 0.9722 yo/b – 0.389 1.0254 yo/b – 0.604 (0.9968) (0.99). 1.0384 yo/b + 0.507 1.020 yo/b + 0.732 (0.9934) (0.9443) 1.0176 yo/b – 2.361 0.9723 yo/b –2.641 (0.9992) (0.9807) 1.0046 yo/b + 0.044 1.0252 yo/b – 0.035 (1) (0.999) 1.0411 yo/b – 0.707 1.0684 yo/b – 0.882 (0.9995) (0.9974). Zócalo 50 cm 1.3461 yo/b – 0.834 (0.9975) 0.9523 yo/b – 3.072 (0.9956) 1.0458 yo/b – 0.142 (0.9993) 0.9213 yo/b – 0.225 (0.9995). Táboa 1.8. Ecuacións de relación no Deseño T2 entre os diferentes calados característicos (ymax, yb, 2 ym, e ymin) e o calado adimensional yo/b. Entre parénteses o coeficiente de correlación r .. Os valores dos calados característicos son proporcionais tanto ó caudal coma á altura do zócalo, agás para o calado na fenda sobre o zócalo que se mostra independente da altura do zócalo. Na Figura 1.6 amósanse as relacións entre os calados característicos para todas as alturas de zócalo experimentadas.. 1.11.

(25) Capítulo 1 a). ymax - z /b ym -z /b ymin - z /b yb -z /b. 6 5. Deseño T1. 4 3 2 1. yo-z/b 0 0.0. 0.5. 1.0. 1.5. 2.0. 2.5. 3.0. 3.5. 4.0. 4.5. b). ymax - z /b ym -z /b ymin - z /b yb -z /b. 6 5. Deseño T2. 4 3 2 1. yo-z/b. 0 0.0. 0.5. 1.0. 1.5. 2.0. 2.5. 3.0. 3.5. 4.0. 4.5. 5.0. Figura 1.6. Relación entre os diferentes calados característicos e o calado medio na sección transversal central, yo. a) Deseño T1, b) Deseño T2.. Os patróns da lámina superficial foron analizados en base a tres factores: deseño básico dos tabiques, altura do zócalo e caudal circulante. A configuración da lámina libre comprobouse diferente para ambos deseños, e independente da altura do zócalo e do caudal circulante. Pode observarse de forma xeral un certo paralelismo cos patróns encontrados para as escalas de fenda vertical: o unha zona de calados elevados na rexión augas arriba da fenda, así como na área máis augas abaixo, próxima ós tabique maiores; o na fenda, existe un descenso brusco do calado; o na zona posterior á fenda, seguindo o fluxo da auga, pode observarse unha área de calados mínimos cunha forma aproximadamente circular. o unha zona de calados baixos próxima ó deflector máis augas arriba. Estas características xerais deben ser corrixidas con dúas matizacións diferenciadoras: variación na posición da fosa de calados mínimos existente nas proximidades da fenda; e diferente distribución das liñas de isocalado no deseño T1 (Figura 1.7).. 1.12.

(26) Resumo e Conclusións a). b) CALADOS 51.9 50.9 49.9 48.8 47.8 Fluxo 46.8 45.7 44.7 43.7 42.6 41.6 40.6 39.5 38.5 37.5. Fluxo. CALADOS 53.2 52.2 51.2 50.2 49.2 48.2 47.2 46.2 45.2 44.2 43.2 42.2 41.2 40.2 39.2. Figura 1.7. Liñas de contorno de isocalados na escala de fendas profundas aliñadas para un Q=0.055 3 m /s e unha altura de zócalo de 0.10 m, a) deseño T1, b) deseño T2.. Se nas escalas de fenda vertical os campos de velocidade permanecían independentes da altura sobre a soleira e as velocidades verticais apenas presentaban influencia na descrición do fluxo, nas escalas de fendas profundas aliñadas con diferentes altura de zócalo, cobra unha gran importancia tanto a altura sobre a soleira como as velocidades verticais existentes nas piscinas. Malia á gran variedade casuística, realizouse un gran esforzo de integración para describir a hidrodinámica mediante un reducido número de patróns de fluxo. 0 Cm. 100. 50. 150. Eixe X. Vz 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 -5.0 -10.0 -15.0 -20.0 -25.0 -30.0 -35.0 -40.0 -45.0 -50.0. 100. 50. Eixe Y. 0 Cm. b). Vector de Referencia. 1 m/s. Figura 1.8. Campo de velocidades experimental e esquema do patrón de fluxo para o deseño T1 para planos paralelos á soleira por encima da altura do zócalo. 50. 0 cm. 100. Eixe X. 0 cm. b). 100. 50. Eixe Y. Vz 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 -5.0 -10.0 -15.0 -20.0 -25.0 -30.0 -35.0 -40.0 -45.0 -50.0. Vector de Referencia. 1 m/seg. Figura 1.9. Campo de velocidades experimental e esquema do patrón de fluxo para o deseño T2 para planos paralelos á soleira por encima da altura do zócalo. Zócalos de altura de 0.20 a 0.50 m.. Os patróns nas escalas de fenda profunda son máis complexos que os obtidos nas escalas de fenda vertical. O fluxo non é bidimensional, existindo grandes diferencias na circulación da auga entre os planos superiores e inferiores á altura do zócalo. 1.13.

(27) Capítulo 1 Sen embargo, o valor da velocidade na fenda permanece estable independentemente da altura sobre a soleira e incluso pode observarse certa invariabilidade en relación ó caudal e á altura do zócalo (Figura 1.10). a) 2.5. b) 2.5. V f (m/s). Diseño T1. 2.0. 2.0. 1.5. 1.5. 1.0. 1.0. 0.5. 0.5. 0.0. V f (m/s). Diseño T2. 0.0 Zóc. 0 cm. Zóc.10 cm. Zóc. 20 cm. Zóc. 30 cm. Zóc. 40 cm. Zóc. 50 cm. Zóc. 0 cm. Zóc.10 cm. Zóc. 20 cm. Zóc. 30 cm. Zóc. 40 cm. Zóc. 50 cm. Figura 1.10. Velocidad en la hendidura a partir del calado experimental. Valores promediados para cada altura de zócalo. a) Deseño T1, b) Deseño T2.. Estudiáronse as velocidades máximas acadadas nas escalas de fenda profunda aliñadas. Para os dous deseños básicos analizados, en planos superiores á altura do zócalo, as velocidades máximas son independentes do caudal, da altura do zócalo e da altura do punto considerada. Pódese plantexar un valor de referencia de 101 cm/s para o deseño básico T1 e de 119 cm/s para o deseño básico T2.. 1.4.3. Enerxía disipada A enerxía disipada por unidade de volume, E, definida como E = ρ g Q S. , é un B yo indicador utilizado tradicionalmente pola súa sinxela valoración para avaliar os niveis de aireación e turbulencia nas escalas. Nas escalas de fenda vertical o valor da enerxía disipada por unidade de volume é independente do caudal e moi similar para ambos deseños. Os valores promedio son para o deseño T1, 71.44 w/m3 e 177.49 w/m3 para as pendentes do 5.7% e do 10.054%, respectivamente. Nos deseño T2 os valores acadados son 70.57 w/m3 e 181.06 w/m3. Nas escalas de fenda profunda aliñadas o valor da enerxía disipada por unidade de volume non se mantén constante independentemente do caudal; senón que aumenta, segundo se aprecia na figura, proporcionalmente ó caudal con tendencia a acadar un máximo. Esto é debido á aparición dun término independiente nas relacións Q-y. a) Deseño T1 160. b) Deseño T2 160. E (w /m3). E (w /m3). 120. 120. 80. 80. 40. 40. 0 0.02. 10 cm 0.04. 20 cm. Q (m3/s). 0.06. 30 cm. 40 cm 0.08. 50 cm 0.10. 0 0.02. 10 cm 0.04. 20 cm. Q (m3/s). 0.06. 30 cm. 40 cm 0.08. 50 cm 0.10. Figura 1.11. Enerxía disipada por unidade de volume para os deseños T1 e T2 con distintas altura de zócalo.. 1.14.

(28) Resumo e Conclusións Este máximo de aproximadamente 140 w/m3 é sensiblemente inferior ós valores obtidos nas escalas de fenda vertical para a mesma pendente experimental utilizada do 10%.. 1.4.4. Enerxía cinética turbulenta Os migradores anadromos aproveitan a enerxía cinética turbulenta para reducir a enerxía metabólica precisa nos procesos de natación (Coutant, 1998). Para valorala utilizáronse dous parámetros, a enerxía cinética turbulenta, k, e a intensidade cinética turbulenta, Ict. Estudiouse a distribución destes parámetros nas piscinas, así como a dependencia co caudal e coa altura sobre a soleira. 1.4.4.1.. Escalas de fenda vertical. As zonas de alta enerxía turbulenta correspóndense coa rexión de fluxo directo onde as velocidades son máis elevadas, especialmente na fenda e nas áreas adxacentes a esta seguindo a dirección do fluxo principal (Figura 1.12). A rexión de recirculación que ocupaba gran parte da piscinas nos patróns de circulación, tamén se corresponden aquí con amplas áreas de baixa turbulencia. a). b). Zbaixa. Zalta. k 1500 1333 1167 1000 833 667 500 333 167 0. Zbaixa. Vector de Referencia. 100 cm/s. Zinter. Vector de Referencia. Zalta. 100 cm/s. Zinter. Figura 1.12. Liñas de contorno da enerxía cinética turbulenta en planos paralelos á soleira para un 3 caudal de 0.085 m /s. a) Deseño T1, So=5.7%, h=20. b) Deseño T2, So=10.054%, h=15 cm.. En xeral, a enerxía cinética turbulenta é independente tanto do caudal circulante (Figura 1.13) como da altura sobre a soleira considerada. Sen embargo, para a zona de altos niveis de turbulencia aprécianse maiores valores nas proximidades da soleira e na capa máis superficial. Enerxía Cinética Turbulenta, k 7500 Zbaixa. Zinter. Zalta. 0.105. 0.115. 6000. k. 4500 3000 1500 0 0.025. 0.035. 0.045. 0.055. 0.065. 0.075. Q (m 3/s). 0.085. 0.095. Figura 1.13. Enerxía cinética turbulenta promediada na vertical para o deseño T1 cunha pendente do So=10.054%.. 1.15.

(29) Capítulo 1 1.4.4.2.. Escalas de fenda profunda aliñadas. A distribución nas piscinas da enerxía cinética turbulenta nos deseños de fenda profunda, ó igual que ocorría cos campos de velocidades é altamente complexa. Non existe unha relación directa entre os campos de velocidade e os da enerxía cinética turbulenta para os planos situados por debaixo da altura do zócalo. Para os planos situados por encima da altura do zócalo colocado, a zona de alta enerxía turbulenta está bastante ben acoplada ós campos de velocidades medias. Os niveis medios de turbulencia nos planos superiores son maiores que os niveis medios existentes por debaixo do zócalo. 0 Cm. Eixe X. 50. 100. 0 cm. Eixe X. 50. 100. k 1500 1000 500 350 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 0 Vector de Referencia. 100 cm/s. Figura 1.14. Liñas de contorno da enerxía cinética turbulenta en planos paralelos á soleira 3 superiores á altura do zócalo, a) deseño T1, zócalo 20 cm, Q=0.065 m /s, h=35 cm; b) deseño T2, 3 zócalo 10 cm, Q=0.075 m /s, h=45 cm.. Realizouse ademais un resumen cuantitativo dos valores puntuais da enerxía cinética turbulenta e da intensidade de turbulencia, tendo en conta diferentes posicións na piscinas e distintas alturas sobre a soleira para varias combinacións de altura de zócalocaudal. O rango de valores atopado foi moi amplo.. 1.4.5. Modelización da turbulencia O fluxo que se desenvolve nas escalas de fenda profunda e de fenda vertical é de natureza altamente turbulenta, polo que os modelos numéricos enfróntanse a un problema complexo á hora de modelizar a turbulencia. Unha solución usual, é modelar as tensións de Reynolds utilizando a hipótese de Boussinesq, que as relaciona co tensor de deformación da velocidade media por medio da viscosidade de turbulencia. A consideración da viscosidade turbulenta como unha magnitude isótropa é unha das grandes limitacións destes modelos en determinado tipo de fluxos, xa que nun caso xeral de turbulencia anisótropa implicaría a existencia de seis viscosidades diferentes, unha para cada tensión de Reynolds. A comprobación experimental da anisotropía da turbulencia invalidaría este tipo de modelos para estudiar o fluxo nas escalas de peixes, á vez que nos motivaría a traballar con outro tipo de modelos. Realizouse un estudio no dominio da frecuencia (Figura 1.15), tanto nas escalas de fenda vertical como nas escalas de fenda profunda aliñadas, para comprobar a hipótese da isotropía-anisostropía da turbulencia.. 1.16.

(30) Resumo e Conclusións a). b). c). d). Figura 1.15. Espectros de frecuencia nas escalas de fenda vertical. a) e b) deseño T1; c) e d) deseño T2.. Os campos de velocidades nas escalas de fenda profunda e nas escalas de fenda vertical presentaban patróns totalmente diferentes. Sen embargo, o comportamento dos espectros presenta similitudes moi importantes independentemente do tipo de escala considerada: • Sendo os eixes X e Y os definidos na Figura 1.1 e o eixe Z perpendicuar a eles, a compoñente fluctuante v’y é sempre a menos enerxética. • Existe unha isotropía evidente no plano XZ. Pode observarse como as compoñentes v’x e v’z sempre teñen un comportamento moi similar, posuíndo niveis enerxéticos semellantes. • O tránsito das grandes escalas ás pequenas escalas realízase sempre en pendentes menores á pendente de Kolmogorov. A pendente de –5/3 é acadada só en determinadas ocasións, e fixa o límite superior da pendente dos espectros. • A pendente –5/3 é especialmente visible na compoñente transversal da velocidade turbulenta, v’y. a). b). c). d). Figura 1.16. Espectros de frecuencia nas escalas de fenda profunda aliñadas. a) e b) deseño T1; c) e d) deseño T2.. En xeral a turbulencia, debe ser considerada anisótropa, se ben pode apreciarse nalgunhas situacións unha importante isotropía no plano XZ. Definiuse un novo coeficiente de isotropía, Ci, para cuantificar o nivel de isotropía da turbulencia nun fluxo mediante (Cea, 2003):. Ec. 1. Ci. (v' =. 2 x. − v'2y. ) + (v' 2. 2 x. − v'2z. (2·k )2. ) + (v' 2. 2 y. − v' 2z. ). 2. onde v’x, v’y, v’z, son as compoñentes fluctuantes da velocidade ou velocidades turbulentas, e k, a a enerxía cinética turbulenta. O valor do índice aumenta, conforme a turbulencia do fluxo eleva o seu nivel de anisotropía, ata un valor límite superior de 2. Para un fluxo con turbulencia completamente isótropa o valor de Ci sería cero.. 1.17.

(31) Capítulo 1 Non se observaron diferencias apreciables entre a isotropía atopada nas escalas de fenda vertical e as escalas de fenda profunda aliñadas. Calculouse o coeficiente de isotropía, Ci, para todas as situacións experimentais non encontrándose unha relación directa entre dito coeficiente e o caudal circulante. Sen embargo, si foi encontrada certa correlación entre o valor do coeficiente de isotropía e os patróns que presentan os espectros de enerxía. a). b). c). Figura 1.17. a) Coeficientes de isotropía, Ci, para escalas de fenda profunda aliñadas, deseño T2 cun 3 caudal de 0.95 m /s; b) e c) Espectros de enerxía dos puntos marcados con letras na figura a).. Se fixamos un valor umbral do coeficiente de isotropía de Ci=0.3, observamos que para valores superiores a este coeficiente os espectros de frecuencia presentan habitualmente a pendente –5/3 de Kolmogorov especialmente na compoñente v’y. Xeralmente, o razoamento inverso tamén se cumpre, cando a pendente de –5/3 aparece, o coeficiente é menor a 0.3.. 1.5. Liñas futuras Realizar un traballo de investigación implica a apertura dun innumerable abanico de posibilidades de novas liñas de traballo, a continuación presentamos unha concisa descrición dalgunha delas: o. o. o. 1.18. Estudiar experimentalmente en modelo físico outras tipoloxías de dispositivos de franqueo de obstáculos que se podan adaptar as diferentes estructuras hidráulicas transversais que existen nos ríos. Esto permitirá unha certa flexibilidade na utilización, en base a criterios científicos, de distintos dispositivos. As rampas para peixes, que son estructuras hidráulicas cunha consideración altamente ecolóxica e cun impacto paixasístico case nulo sería unha boa candidatura para a continuación na investigación da hidrodinámica de dispositivos de franqueo para peixes. Establecer unha metodoloxía que nos permita avaliar e comparar a idoneidade das escalas de peixes para ser utilizadas polas especies usuarias, relacionando criterios puramente hidráulicos con parámetros biolóxicos das especies obxectivos como: velocidades de natación, resistencia, tamaños, preferencias por certos tipo de factores do hábitat (luminosidade, aireación...). Elaborar un estándar para a experimentación biolóxica. Desenvolver un modelo numérico que permita nun futuro a completa modelización do funcionamento hidráulico das escalas estudiadas.

(32) Resumo e Conclusións experimentalmente. Este modelo numérico enfrontase a un problema altamente complexo onde a disipación de enerxía non se axusta a aproximacións simples como a aplicación de coeficientes de fricción. Así mesmo, é interesante coñecer a natureza da turbulencia presente neste tipo de fluxos para escoller o camiño que mellores resultados nos provea na modelización. o. Adaptar as escalas de peixes existentes nos ríos galegos mediante pequenas modificacións constructivas de escaso custo para conseguir que as condicións hidrodinámicas que presentan sexan óptimas conforme ós criterios biolóxicos que os responsables da xestión medioambiental da rede fluvial establezan.. 1.19.

(33)

(34) Resumen y Conclusiones. Capítulo 1. Resumen y Conclusiones (Bilingüe) Castellano. 1.1. Introducción Las obras hidráulicas transversales como las presas, azudes, diques y otros obstáculos producen importantes cambios en las características del ecosistema fluvial (Clay, 1995) especialmente sobre las poblaciones piscícolas. Uno de los más importantes efectos directos sobre la ictiofauna continental es que constituyen una barrera física para los movimientos naturales de los peces (Larinier, 1998) lo que repercute negativamente sobre la fauna migradora. El resultado de la interrupción de la libre circulación en los ríos es la disminución, y en algunos casos la completa desaparición de algunas especies (Jungwirth, 1998). La Ley de Pesca Fluvial 7/1992 establece la potestad de la Consellería de Agricultura, Gandería e Montes de la Xunta de Galicia para la “eliminación de los obstáculos naturales o su modificación para facilitar la circulación de los peces a lo largo de los cursos de agua [...], especialmente en los ríos salmoneros y de reos y, cuando esto no sea posible, el empleo de los medios substitutivos que aseguren el ciclo biológico de la riqueza piscícola en los distintos tramos del río”. Así mismo enuncia para “los proyectos de todas las presas, diques o canales que se pretendan construir en las masas acuícolas con el objeto de facilitar las migraciones periódicas de los peces a lo largo de los cursos fluviales deberán presentar [..]: la previsión de la pertinente escala, paso, esclusa o cualquier otro dispositivo que permita el remonte de las especies migradoras”. Los dispositivos de franqueo son infraestructuras con la finalidad de garantizar la conectividad longitudinal del sistema hidráulico y así facilitar el paso de los migradores a través de los obstáculos existentes en la red fluvial. Los primeros intentos de construcción de dispositivos de franqueo de obstáculos de los que se tienen constancia fueron realizados en el siglo XVII (Clay, 1995) aunque posiblemente ya existieran anteriormente construcciones de este tipo en obstrucciones naturales relacionadas con la pesca continental. A principios del siglo pasado, Denil (1909) publica un trabajo sobre un dispositivo diseñado en base a criterios científicos, siendo a mediados de siglo cuando reciben un impulso importante con las recomendaciones hechas por el Committee on Fish-Passes (1942) y por las investigaciones realizadas para la construcción de las obras del Hell´s Gate en el río Fraser en Canadá. 1.21.

(35) Capítulo 1 Las escalas de peces son los dispositivos con más amplia difusión en el mundo. Consisten, de forma general, en un canal en pendiente dividida por tabiques transversales de diferentes diseños que conforman una serie de depósitos o piscinas sucesivas. La altura del obstáculo a franquear es dividida en pequeños saltos, creando las condiciones hidrodinámicas óptimas para que los migradores puedan remontarlos con facilidad. Las características geométricas de los estanques y de los tabiques serán los principales parámetros que definirán el comportamiento hidráulico del dispositivo (Larinier, 1998). Las escalas de hendidura vertical y las escalas de hendidura profunda alineadas pertenecen a esta tipología de dispositivos de franqueo de obstáculos. Los modelos físicos en obras hidráulicas se caracterizan por ser entidades más accesibles y sencillas de manejar que el proceso hidráulico real. El estudio experimental en modelo de la hidrodinámica de estas escalas nos permitirá la adquisición de un conocimiento fundamental sobre el funcionamiento hidráulico de estos dispositivos para su posterior adaptación a las cualidades de las especies objetivo. Con la aplicación de los conocimientos adquiridos podremos diseñar sistemas de paso para peces efectivos, siendo esta una de las claves para mantener la salud del medio ambiente acuático continental (Odeh, 1999).. 1.2. Objetivo El principal objetivo de esta tesis es el estudio experimental del comportamiento hidráulico de dos tipologías de escalas de peces mediante la evaluación sistemática de calados y velocidades. Estos dos tipos de escala son: las escalas de hendidura vertical y las escalas de hendiduras profundas alineadas. El estudio se realizará en laboratorio sobre un modelo físico reducido para un régimen de flujo uniforme. En cada una de las dos tipologías se han estudiado dos diseños básicos de la configuración de los tabiques que conforman las piscinas. Serán analizados para dos pendientes geométricas diferentes, 5.7% y 10.054%, en el caso de la tipología de hendidura vertical; y para la pendiente del 10.057% en el caso de la tipología de hendidura profunda. Se establece un objetivo más, realizar una aproximación a la medición y al análisis de la intensidad de la turbulencia en las escalas; así como sus características físicas (isotropía). Parte de la labor experimental necesaria para cumplir con los objetivos marcados, como la elaboración de una metodología y el estudio hidráulico experimental de las escalas de hendidura vertical, forman parte de la línea de trabajo del grupo de investigación (Teijeiro, 2001; Pena, 2003; Puertas, 2004). El análisis de los resultados experimentales obtenidos, el diseño y la evaluación hidráulica de un nuevo tipo de escala, la escala de hendiduras profundas alineadas, y la adquisición de velocidades turbulentas para una amplia variedad de condiciones experimentales son resultados originales y no publicados.. 1.3. Resumen Esta Tesis Doctoral se divide en cinco capítulos. En el Capítulo 1, se realiza una síntesis del documento incluyendo un resumen del trabajo desarrollado, la recopilación de 1.22.

(36) Resumen y Conclusiones las conclusiones más importantes y una indicación de las posibles líneas de trabajo que se pueden seguir en futuras investigaciones. Este capítulo es bilingüe, gallego-castellano. En el Capítulo 2, se presentan los principales aspectos del estado del conocimiento sobre el diseño de dispositivos de franqueo de obstáculos y sobre los estudios hidráulicos en escalas para peces existentes en la literatura científica. Los dispositivos de franqueo de obstáculos deben ajustarse a las cualidades y preferencias de las especies piscícolas objetivo. Para conocer dichas capacidades se hace un repaso de las características biológicas de las especies más comunes de los ríos gallegos, centrándose especialmente en sus ciclos biológicos y en las capacidades de remonte. Se realiza una descripción detallada de las diferentes tipologías de dispositivos de franqueo, incidiendo en sus características constructivas especialmente relacionadas con la hidrodinámica de la obra. Se incluyen recomendaciones generales para la implantación de los dispositivos así como una síntesis de la evolución histórica de estos dispositivos. Finalmente, se muestra un compendio no exhaustivo de la utilización de los dispositivos de franqueo en los diferentes países del mundo. Dentro de los estudios hidráulicos en modelo consultados por el autor, se resumen los más importantes, subrayando especialmente los trabajos iniciados por N. Rajaratnam, C. Katopodis y colaboradores de la Universidad de Alberta que tienen su continuación en las investigaciones llevadas a cabo en el CITEEC por L. Pena, J. Puertas y T. Teijeiro. Estos estudios son la base de partida de esta Tesis Doctoral. En el epígrafe final, se reproducen los apartados más interesantes de la legislación autonómica vigente en Galicia relacionados con la implantación de las obras de paso: la Ley 7/1992 de pesca fluvial, y el reglamento de ordenación de pesca fluvial de los ecosistemas acuáticos continentales, Decreto 130/1997. El Capítulo 3 describe el planteamiento experimental así como la metodología seguida para conseguir los objetivos propuestos. En el planteamiento experimental se fijan los objetivos de la investigación y se realiza una planificación general de lo que será el trabajo experimental. Se presenta la infraestructura utilizada en el laboratorio de hidráulica: circuito hidráulico, canal de flujo en lámina libre, sistemas de control y el modelo de escala propiamente dicho. Se muestran las características de la instrumentación de medida y se define la estrategia de adquisición de datos. Los resultados experimentales obtenidos y su análisis son presentados en el Capítulo 4. Se estructura este capítulo en tres grandes bloques. En los dos primeros se caracterizan hidráulicamente las escalas de hendidura vertical y las escalas de hendidura profunda alineadas, respectivamente. En un tercer bloque se hace una aproximación al análisis de la turbulencia en ambas tipologías. La caracterización hidráulica intenta describir el flujo que se desarrolla en las escalas en base al estudio de los dos parámetros más importantes: la velocidad del agua y la altura de la lámina superficial. A partir del gran volumen de datos obtenidos durante el desarrollo de la campaña experimental se ha conseguido una descripción pormenorizada de la hidrodinámica del flujo. Se ha obtenido las ecuaciones adimensionales que relacionan caudal y calado, los patrones de la lámina superficial y los campos de velocidades. Se han calculado las relaciones de la velocidad del agua con factores como el caudal, la altura, o la pendiente, y se han estudiado los niveles de energía disipada por unidad de volumen y de energía cinética turbulenta. El estudio experimental de la energía cinética turbulenta en dispositivos de franqueo es un tema innovador y prácticamente inédito en bibliografía manejada por el autor. En esta faceta del estudio de la turbulencia, se profundiza en el tercer bloque, donde se realiza un análisis en el dominio de la frecuencia de las velocidades turbulentas y se define un coeficiente para valorar la isotropía de la turbulencia. 1.23.

(37) Capítulo 1 El último apartado incluye, alfabéticamente ordenadas, las referencias bibliográficas utilizadas como base documental para el presente trabajo.. 1.4. Conclusiones 1.4.1. Metodología experimental Se ha puesto a punto una instalación experimental de alta complejidad instrumental, con un sistema de medida fiable para caracterizar de forma rigurosa las variables fundamentales de la hidráulica de canales (velocidad y calados) en el modelo. La metodología experimental, de una considerable innovación científica y tecnológica, nos permite adquirir gran cantidad de información de forma sencilla y automatizada. La metodología experimental se ha llevado a cabo en modelo reducido. Sobre un canal rectangular en pendiente se han colocado 10 tabiques transversales. Existen dos configuraciones de los tabiques transversales, de forma que de las nueve piscinas presentes las cuatro primeras son de un formato, configuración tipo T1 y las cuatro últimas de una configuración diferente tipo T2 (Figura 1.1). Entre ambos tipos existe una piscina de transición. VISTA EN PLANTA. UNIDADES: Milímetros. 1 523. 2. 3. 1213. X. 4. Y. DESEÑO T2. 5. 6. 7. 1213. 8. 9. 540. DESEÑO T1. VASO INICIAL. VASO FINAL. 846. L=1213 = 8.09b. 15. 0. 62. b=. 121. Diseño T1. Diseño T2. Figura 1.1. Dimensiones del modelo experimental de la escala y detalles de las configuraciones de los diseños T1 y T2. En las escalas de hendidura profunda alineadas se colocaron consecutivamente zócalos de diferentes alturas (0.10, 0.20, 0.30, 0.40, 0.50 m) en la base de la hendidura. La evaluación espacial de las magnitudes hidrodinámicas (velocidad y calado) se ha realizado en mallas tridimensionales de puntos de medida (bidimensionales en el caso del calado) con celdas de 10x10x10 cm. En zonas consideradas de flujo complejo la densidad de la retícula de puntos fue mayor, 5x5x10 cm. En las escalas de hendidura vertical el ámbito de la campaña experimental abarca dos pendientes geométricas de la escala, en la Tabla 1.1 puede verse un resumen. El incremento entre dos caudales experimentales consecutivos fue de 10 l/s, dependiendo el número de alturas adquiridas del caudal ensayado. 1.24.