martes, 24 de marzo de 2020

El gradiente hidráulico, segunda parte


Introducción
Como ya dice el título, este artículo es la continuación del artículo “el gradiente hidráulico, primera parte”. He intentado explicarlo lo más visual posible, mediante una serie de ejemplos con figuras, desde situaciones con un gradiente hidráulico bajo hasta otros con un gradiente mayor a uno.

Figura 1


Ejemplo 1
Algunos ejemplos de gradiente hidráulico bajo podemos encontrar en las mesetas del norte de Burgos. Una meseta es una elevación del terreno, relativamente llana y normalmente de una gran extensión. Estas suelen tener sus desagües en los barrancos que las rodean. Lo primero que me vienen a mente y que ha servido como ilustración (figura 2), es el sistema Cueva del Aguanal-Barbancho/Cueva del Agua. En el Aguanal entra un arroyo a una altura de 956m y el agua sale en la Cueva del Agua (y también por el Barbancho en época de crecida) en Orbaneja del Castillo a una altura de 736m y a una distancia de unos 8 km en línea recta. Hoy en día el sistema consiste de una serie de sifones más o menos cortos y grandes galerías aéreas, pero en su estado inicial las fisuras deberían haber estado completamente inundadas. En este ejemplo suponemos que el desarrollo ha sido de un ensanchamiento simultáneo de todas las fisuras entre A y B (aunque es más probable un desarrollo en fases debido a la infiltración de precipitación en la meseta).


Figura 2

Lo cual da un gradiente hidráulico inicial máximo de:

i = Δh/L
i = (956-736)/8000 = 220/8000 = 0,0275

Y esto suponiendo una conexión en línea recta, lo cual obviamente no es así (según las topografías ya realizadas).

Nota: En el verano de 2019, el espeleobuceador Jason Mallison, en compañía de unos ingleses y uno de nuestros espeleobuceadores más activos, Pedro González (León), han llegado hasta el último sifón que separa ambas cuevas.


Ejemplo 2
Unos 11 km al sur de Orbaneja (17 km por carretera) está el conocido Pozo Azul, situado en los alrededores de Covanera. Se trata de un manantial importante, situado a una altura de 700 metros y que tiene su área de recarga a más de 9 km al ESE, medido en línea recta. Entre la zona de recarga (situada a aprox. 1075m) y el Pozo Azul, la formación calcárea (gris en la figura 3) está cubierta por margas impermeables (amarilla). Hoy en día la fisura original se ha desarrollado hasta una amplia cueva que se ha buceado hasta más de 11 km (además de unos 2 km de galerías laterales alrededor de Tipperary), sin llegar todavía a la zona de recarga. Por tanto se puede suponer una distancia mínima de unos 14 km hasta esta zona. Suponiendo un desarrollo de la cueva embrionaria (wormhole) en una sola fase se puede aproximar el gradiente hidráulico original.

i = Δh/L
i = (1075-700)/14000 = 375/14000 = 0,027 (curiosamente casi igual al ejemplo anterior)


Figura 3

Nota: Es probable que la altura del manantial se ha disminuida desde la formación de la cueva embrionaria (Pozo Azul: El porqué de su localización) y que además el desagüe original haya sido algo más hacia el norte y a una altura algo mayor, mientras que la altura de la meseta habrá cambiado poco. Esto da una disminución de Δh y por tanto un gradiente aún menor. Por otro lado, las galerías secas de Tipperary indican un desarrollo más complicado.

Nota: Hoy en día hay poca diferencia en el nivel freático entre el Pozo Azul y la punta de exploración. Se trata de una situación normal; durante el proceso de desarrollo de una cueva embrionaria hasta una cueva amplia, llega el momento en que la recarga puede ser evacuada con tan facilidad, que el gradiente hidráulico se colapsa.


Ejemplo 3
En las montañas los gradientes hidráulicos suelen ser mayores. La figura 4 muestra una montaña con una zona vadosa y una zona freática (saturada con agua), separada por la curva discontinua que representa el nivel freático. Hay varias fisuras que todavía son estrechas, lo que explica que el nivel freático todavía no se ha colapsado. El sistema de fisuras desagua en el punto F.
El gradiente del conjunto de fisuras AB, BC y CF es: 

i = Δh/L
i = (hA-hF) / (LAB + LBC + LCF) ≈ 0,5

Las dimensiones de la figura 3 son probablemente algo desproporcionados, con una exageración de la altura, excepto quizás por zonas con grandes gargantas, como por ejemplo los Picos de Europa.


Figura 4


Ejemplo 4
Este ejemplo trata el gradiente hidráulico en las fisuras de la zona vadosa. Como el flujo en esta zona es principalmente subvertical, suponemos que en este ejemplo las fisuras estrechas son verticales (figura 5). También suponemos que las 3 fisuras estrechas (pero no muy estrechas) se han llenado con agua porque está lloviendo y porque el epikarst concentra la precipitación hacia ellas.

El gradiente hidráulico de la fisura A es 1, porque la diferencia en altura ΔhA es igual a su longitud. Lo que pasa es que está fisura se pierde en la profundidad (o cambia de estrecha a muy estrecha). El resultado es que una vez que se haya llenado, el flujo tiene una velocidad mínima (se dispersa en fisuras muy estrechas) y además está prácticamente saturado. Esta fisura se ensancha muy lentamente. Lo cual pone de manifiesta que aunque el gradiente hidráulico es un factor importante, no es el único. En este caso el diámetro y la interconexión de las fisuras son más importantes.

También el gradiente hidráulico de la fisura B es 1, pero en este caso el flujo termina en el techo de una cueva vadosa. En este caso la longitud de la fisura no tiene importancia (respecto al gradiente, si respecto al tiempo de ruptura), porque mientras está llena el gradiente hidráulico sigue siendo 1. La cantidad de agua que baja por la fisura depende principalmente de su diámetro. El ensanchamiento de la fisura depende principalmente de la cantidad y la composición del agua que pasa por ella y de la composición de la propia roca.

El gradiente de la fisura C es algo menor de 1, porque la Δh es algo menor que su longitud. Esto es debido a que la parte inferior de la fisura se encuentra en la zona freática, es decir por debajo del nivel freático. También esta fisura termina en el techo de la cueva (ahora freática) y su situación es muy parecida a la de la fisura B.


Figura 5


Ejemplo 5
Este ejemplo de un gradiente hidraulico alto puede causar pérdidas de agua alrededor de un muro de un embalse. La figura 1 muestra una fisura F situada hacia  la base del muro y que está conectada con el pantano. Su Δh es casi igual a la profundidad del pantano a otro lado del muro. Su longitud será un poco más que la anchura del muro, es decir mucho menor que Δh. Situaciones como estas pueden representar problemas graves, tanto de seguridad como de pérdida de agua acumulada.


Ejemplo 6
La figura 6A muestra otro ejemplo de un gradiente hidraulico bastante mayor que 1. Se trata de un estrechamiento pronunciado en una cueva. Puede ser por un tramo de roca más resistente a la disolución y/o erosión mecánica, o quizás por un derrumbamiento. Nos imaginamos una crecida. El caudal se multiplica, pero el estrechamiento no deja pasarlo por completo. El agua se acumula delante del estrechamiento. Con el aumenta de la altura del nivel de agua también aumenta la cabeza de presión hidraulico, lo cual “empuja” más agua por el estrechamiento. En algún momento se llega a un equilibrio (figura 5A). El gradiente hidraulico depende de la cabeza de presión (altura de la columna de agua) y de la longitud del estrechamiento. Las subidas del nivel de agua puede ser muy considerables, como por ejemplo los 196 metros en el SistemaRepublicano-Cabito. Por tanto es muy posible que durante las crecidas, en algunas cuevas existen gradientes hidraulicos superior a 5.

Un indicio de que algunas cuevas han experimentado gradientes hidraulico grandes en su pasado es la presencia actual de sectores con galerías laberínticas. Hipótesis descrita por Arthur Palmer en 1975 (The originof maze caves).

La figura 6B muestra la misma situación, pero ahora visto en planta. La gran cabeza de presión y la corta longitud de las fisuras resultan en un gradiente hidraulico grande. Hay un flujo importante en todas las fisuras y todas se ensanchan rapidamente. En este caso se pueden desarrollar varios conductos alrededor del estrechamiento, que finalmente resulta en un sector laberíntico. Al revés podemos deducir que la presencia de sectores laberínticos, especialmente si se puede localizar el estrechamiento, indican un gran gradiente hidraulico en su origen.

Nota: el aumento de la velocidad con que una fisura se ensancha, debido a un aumento del caudal (y eventual disminución de la saturación), no es continua, pero que después de un máximo llega a disminuir para finalmente parar. A partir de este momento la velocidad con que un conducto se ensancha es constante y máxima, y puede tener un valor de alrededor de 0,1mm al año o un poco más.
La consequencia es que en el caso de la figura 6B, todas las fisuras que llegan a ensancharse a una velocidad máxima se pueden convertir en galería. Una vez que el caudal es suficiente para establecer un crecimiento máximo, su importancia es mucho menor.


No hay comentarios:

Para facilitar las descargas, he subido una copia de cada artículo a Scribd en formato pdf. Este formato en pdf se puede abrir pinchando en el título de cada artículo.