Olas fluviales. Novedoso concepto que nos explica cómo actúa el caudal que fluye por el cauce. Se diferencian de las marinas en que éstas son generadas por la acción del viento sobre la superficie del mar. Pero en las fluviales, el viento no influye, sino la velocidad de la corriente y la pendiente del cauce. Y se propagan aguas abajo, mientras que las marinas lo hacen en todas las direcciones, a merced del viento.
Recientemente la revista Geophysical Research Letters ha publicado un interesante artículo que hoy glosaremos. En él, nos relata cómo el satélite SWOT ha podido medir su altura y velocidad en algunos ríos de Norteamérica.
Las olas fluviales se han estudiado durante mucho tiempo a través de métodos teóricos y empíricos (Chow). La propagación de las ondas de los ríos se puede describir teóricamente utilizando las ecuaciones de Saint-Venant para la continuidad y el momento, y las soluciones de estas ecuaciones y sus aproximaciones forman la base de los modelos hidrodinámicos ampliamente utilizados para estimar la elevación de la superficie del agua de inundación.
Además, también se pueden estudiar a través de la observación utilizando series temporales de nivel y caudal de medidores de corriente in situ. Los pluviómetros pueden proporcionar mediciones con una resolución temporal subhoraria, pero su ubicación presenta un sesgo global y está limitada espacialmente a ubicaciones selectas a lo largo de una red fluvial
Hasta ahora, las olas fluviales importantes, las de avenida que son las que hacen daño, se modelizaban a través de la propagación de los hidrogramas de avenida obtenidos de la transformación lluvia-escorrentía en una cuenca dividida en subcuencas con sus correspondientes estaciones de aforo. Son los conocidos modelos de propagación agregada Pulso modificado, Muskingum o Muskingum-Cunge.
Estos datos muestran cambios detallados en la altura de los ríos a lo largo del tiempo, pero solo en puntos específicos del espacio. Las mediciones satelitales, en cambio, pueden muestrear una amplia franja, pero solo en momentos específicos
El más usado es Muskingum, desarrollado por el HEC y McCarthy en este río del estado de Ohio en 1935. Define el almacenamiento de caudal en un tramo de río como una función lineal de los caudales de entrada y salida adecuadamente ponderados. El problema es que esta ponderación se hace mediante ecuaciones de enrutamiento o midiendo in situ el nivel del agua a lo largo del tiempo en un punto determinado. Sin embargo, la escasa distribución de los medidores dificulta mostrar cómo evoluciona el nivel del agua con la distancia a lo largo del río a medida que las olas de inundación se propagan aguas abajo.
Por eso, en el estudio de referencia, se han utilizado las mediciones de la elevación de la superficie del agua efectuadas por el satélite Surface Water and Ocean Topography (SWOT), para detectar y analizar las trayectorias de las olas fluviales. SWOT es fruto de la colaboración entre la NASA y la agencia espacial francesa CNES (Centro Nacional de Estudios Espaciales).
Está estudiando la altura de casi todas las aguas superficiales de la Tierra, tanto dulces como saladas. Usa el Interferómetro de Radar de Banda Kapara cartografiar la elevación y la anchura de las masas de agua mediante el rebote de microondas en la superficie y el cronometraje del retorno de la señal.
Hasta ahora, SWOT producía datos para monitorizar el aumento del nivel del mar cerca de la costa, detectar olas de tsunami y cartografiar el lecho marino. Con ellos, ponía de manifiesto patrones de remolinos y olas marinas subacuáticas. Lo que hasta hoy jamás se había captado a esta escala desde el espacio.
Hallazgo espectacular porque estas corrientes tan minúsculas conducen cantidades de energía enormes. Son las conductoras del calor entre las capas superficiales y las más profundas del océano. Responsables de mantener su ecosistema y de las interacciones con la atmósfera.
Por ello actúan sobre las redes tróficas marinas y los patrones climáticos. Entre ellos, la formación y deriva de huracanes. Y, lo que no es baladí, el desarrollo de fenómenos como El Niño y La Niña, fases opuestas de la Oscilación del Sur (ENOS), en el Pacífico tropical. Así pues, no son solo características oceánicas, sino que se conectan directamente con los sistemas climáticos que nos afectan a todos
Y cuando aún no se ha digerido bien este avance satelital, SWOT ya está focalizado sobre las otras olas, las fluviales. Ya ha analizado tres, incluyendo una que se generó con violencia en el río Yellowstone, en Montana, en abril de 2023. Fueron rastreadas por la NASA Y Virginia Tech
Fue cuando, al pasar el satélite detectó una ola de 2,8 metros de altura que fluía hacia el río Misuri, en Dakota del Norte. Tenía un pico de 11 km de longitud y una largada cola. Además, el Sentinel-2 de la zona, determinó que la ola se originó por la ruptura de un bloque de hielo en la cuenca alta del río.
Las otras dos olas fluviales detectadas corresponden a dos avenidas. Una, enero de 2024 en el río Colorado, al sur de Austin. Tenía un pico de 9 metros de altura, y 267 kilómetros de longitud. Y viajaba a una velocidad de 1 m/s río abajo en los 400 km que la separaban de la desembocadura en la bahía de Matagorda.
La otra, se detectó en marzo de 2024 en el río Ocmulgee, Macon, Georgia. Su pico fue superior a 6 m de altura y su cola superaba los 165 km de longitud, viajando a una velocidad de 0,33 m/s en los 200 km que la separaban de la desembocadura
Este nuevo estudio pone de manifiesto cómo mediante observaciones espaciales puede ayudarse a los hidrólogos que trabajan en la gestión de obras hidráulicas a lo largo de los cauces para el control de inundaciones. Presas y encauzamientos fundamentalmente.
Estas primeras observaciones directas son un regalo para calibrar con mayor exactitud los cambios continuos en el nivel del agua aguas abajo en un momento dado dentro de una ola fluvial. Al eliminar los perfiles de elevación del río a larga escala, se han elaborado hidrogramas espaciales, análogos de las series temporales in situ.
Lo novedoso es que demuestran su utilidad para analizar las características de las olas. Incluyendo la medición de la longitud, la estimación de la celeridad y la separación del caudal del evento del caudal base. Pretenden en el futuro que estos métodos se apliquen en cualquier cauce del planeta para estudiar las olas fluviales y sus propiedades.
Los datos topográficos del satélite SWOT son capaces de mostrar las variaciones de nivel del río aguas abajo durante un evento hidrológico de olas fluviales. Además, al eliminar el perfil largo del río, los eventos de olas fluviales se visualizan como representaciones similares a hidrogramas espaciales de nivel. Y los resultados pueden servir para medir la longitud de eventos y estimar la celeridad de las olas. El hidrograma de nivel muestra la variación temporal del nivel. Y se utiliza para visualizar cómo va cambiando en un cauce, lago o embalse a lo largo del tiempo. Así se acaba definiendo un diagrama generador de un “hidrograma espacial”. Es decir, una visualización similar a un hidrograma WSE (de altura de la superficie del agua), que asciende y desciende en el espacio durante una ola fluvial, en lugar de hacerlo en el tiempo.
De manera que SWOT, recoge mediciones a pequeña escala del nivel global de los ríos. Así genera instantáneas de olas fluviales que se desplazan aguas abajo. Al convertir estas mediciones en cambios de elevación relativa, sus datos muestran los mismos patrones que los datos de las estaciones de aforo. Por eso las mediciones de SWOT pueden utilizarse para estimar la longitud de una ola fluvial, su velocidad de desplazamiento y el porcentaje que aportan las aguas subterráneas frente a la escorrentía superficial.
Por último, también mide la longitud de una ola fluvial, mejorando lo que hasta ahora se hacía mediante el satélite de Topografía de Aguas Superficiales y Océanos (FODA) de la misión Sentinel-6. Ella mide las alturas de los ríos, incluyendo su altura, ancho y pendiente, proporcionando una visión 3D más completa de las inundaciones.
También proporciona datos detallados de los niveles de agua de los océanos, lagos y ríos. Pero SWOT, identifica la longitud de nodos consecutivos donde las alturas del río medidas por FODA exceden el percentil 90 de WSE. Es decir, eventos de caudal máximo. Se centra en eventos de más de 2 km. Por ello, considera que una ola fluvial comienza o termina donde al menos 10 nodos consecutivos exceden o caen por debajo del umbral
Para estimar la celeridad de las olas usa dos observaciones del mismo pico de ola fluvial (una de SWOT y otra de un pluviómetro)
Pero todavía hay que trabajar mucho. Porque SWOT recopila datos en una franja de 120 km de ancho por lo que algunas olas fluviales, en particular dentro de los ríos que discurren perpendicularmente a la franja de observación, podrían ser demasiado largas para que un único paso elevado de SWOT las capture. Otra limitación es la órbita repetida de 21 días de SWOT. Así como la resolución temporal resultante, ya que la caracterización precisa de los eventos de flujo máximo con datos satelitales depende de la frecuencia de muestreo
SWOT solo registra una fracción de estos eventos, ya que las olas pueden ascender y alcanzar la salida entre dos observaciones consecutivas. De hecho, se estima que SWOT captura los picos de solo alrededor del 8% de los eventos de alta descarga registrados por los medidores del USGS. Las olas muy largas y los pulsos a escala estacional se capturarían en muchos pases . Y, por lo tanto, serían difíciles de medir individualmente con una sola franja SWOT.
En definitiva, SWOT supone una potente herramienta para estudiar la dinámica del caudal máximo en cualquier río. Y estima con precisión los parámetros de las olas fluviales. Combinados con datos in situ, estas observaciones contribuirán a los análisis a escala regional y global de sus eventos.
Toda esta información ayudará bastante a mejorar el trazado de avenidas. También los modelos de inundaciones, así como las estimaciones del caudal que fluye por los ríos del mundo.
Lorenzo Correa
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