Presa

Un vertedero o presa de baja altura es una barrera que se extiende a lo ancho de un río y que altera las características del flujo del agua y , por lo general, da como resultado un cambio en la altura del nivel del río. Los vertederos también se utilizan para controlar el flujo de agua para las salidas de lagos, estanques y embalses. Hay muchos diseños de vertederos, pero, por lo general, el agua fluye libremente por la parte superior de la cresta del vertedero antes de caer en cascada a un nivel inferior. No existe una definición única de lo que constituye un vertedero.

El término vertedero también puede referirse al skimmer que se encuentra en la mayoría de las piscinas enterradas y que controla el flujo de agua que ingresa al sistema de filtrado.

La palabra probablemente se originó del inglés medio were , inglés antiguo wer , un derivado de la raíz del verbo werian, que significa "defender, represar". ^{[1] [2]} El cognado alemán es Wehr , que significa lo mismo que el vertedero inglés.

Por lo general, los diques se utilizan para prevenir inundaciones , medir la descarga de agua y ayudar a que los ríos sean más navegables en barco. En algunos lugares, los términos presa y dique son sinónimos, pero normalmente se hace una distinción clara entre las estructuras. Por lo general, una presa está diseñada específicamente para retener agua detrás de un muro, mientras que un dique está diseñado para alterar las características del caudal del río.

Una distinción común entre presas y vertederos es que el agua fluye por encima (cresta) de un vertedero o por debajo de él al menos durante una parte de su longitud. En consecuencia, la cresta de un aliviadero de desbordamiento en una presa grande puede denominarse vertedero. Los vertederos pueden variar en tamaño tanto horizontal como verticalmente; los más pequeños tienen solo unos pocos centímetros de altura, mientras que los más grandes pueden tener muchos metros de alto y cientos de metros de largo. A continuación se describen algunos de los usos más comunes de los vertederos.

Los vertederos permiten a los hidrólogos e ingenieros un método simple para medir el caudal volumétrico en arroyos o ríos de tamaño pequeño a mediano o en lugares de descarga industrial. Dado que se conoce la geometría de la parte superior del vertedero y toda el agua fluye sobre él, la profundidad del agua detrás del vertedero se puede convertir en un caudal. Sin embargo, esto solo se puede lograr en lugares donde toda el agua fluye sobre la parte superior de la cresta del vertedero (en lugar de alrededor de los lados o a través de conductos o compuertas) y en lugares donde el agua que fluye sobre la cresta se aleja de la estructura. Si no se cumplen estas condiciones, la medición del caudal puede resultar complicada, imprecisa o incluso imposible.

El cálculo del caudal se puede resumir de la siguiente manera

Q = CL H n^​

dónde

Q es el caudal volumétrico del fluido (la descarga ),

C es el coeficiente de flujo de la estructura (en promedio una cifra de 3,33),

L es el ancho de la cresta ,

H es la altura del nivel del agua sobre la cresta,

n varía según la estructura (por ejemplo, 3 ⁄ 2 para vertedero horizontal, 5 ⁄ 2 para vertedero con muesca en V).

Sin embargo, este cálculo es una relación genérica y existen cálculos específicos para los distintos tipos de vertederos. Los vertederos de medición de caudal deben recibir un buen mantenimiento para que sigan siendo precisos. ^{[3] [4]}

El flujo sobre un vertedero con entalla en V (en ft ³ /s) se da mediante la ecuación de Kindsvater-Shen: ^[5]

${\displaystyle Q={\frac {8}{15}}{\sqrt {2g}}\,C_{e}\tan {\frac {\theta }{2}}(h+k)^{\frac {5}{2}},}$

dónde

Q es el caudal volumétrico del fluido en ft ³ /s,

g es la aceleración debida a la gravedad en ft/s ² m

C _e es el factor de corrección de flujo dado en Shen 1981, p. B29, Fig. 12,

θ es el ángulo del vertedero en forma de V,

h es la altura del fluido por encima del fondo de la muesca en V,

k es el factor de corrección de la cabeza dado en Shen 1981, p. B20, Fig 4.

Como los diques son una barrera física, pueden impedir el movimiento longitudinal de los peces y otros animales río arriba y río abajo. Esto puede tener un efecto negativo en las especies de peces que migran como parte de su ciclo reproductivo (por ejemplo, los salmónidos ), pero también puede ser útil como método para evitar que las especies invasoras se desplacen río arriba. Por ejemplo, los diques en la región de los Grandes Lagos han ayudado a evitar que la lamprea marina invasora colonice aguas más arriba.

Los estanques de los molinos se crean mediante un dique que retiene el agua que luego fluye sobre la estructura. La energía creada por el cambio de altura del agua se puede utilizar para impulsar ruedas hidráulicas y aserraderos, muelas y otros equipos.

Los vertederos se utilizan comúnmente para controlar el caudal de los ríos durante períodos de alta descarga. Las compuertas (o en algunos casos la altura de la cresta del vertedero) se pueden alterar para aumentar o disminuir el volumen de agua que fluye río abajo. Los vertederos para este propósito se encuentran comúnmente río arriba de las ciudades y pueblos y pueden ser automatizados o accionados manualmente. Al reducir la velocidad a la que el agua se mueve río abajo incluso ligeramente, se puede tener un efecto desproporcionado en la probabilidad de inundaciones. En ríos más grandes, un vertedero también puede alterar las características del flujo de la vía fluvial hasta el punto de que los barcos puedan navegar por áreas previamente inaccesibles debido a corrientes extremas o remolinos . Muchos vertederos más grandes tendrán características de construcción que permiten a los barcos y usuarios del río "disparar el vertedero" y navegar pasando río arriba o río abajo sin tener que salir del río. Los vertederos construidos para este propósito son especialmente comunes en el río Támesis , y la mayoría están situados cerca de cada una de las 45 esclusas del río .

Debido a que un vertedero retiene agua detrás de él y altera el régimen de flujo del río, puede tener un efecto sobre la ecología local . Por lo general, la velocidad reducida del río aguas arriba puede provocar un aumento de la sedimentación (deposición de partículas finas de limo y arcilla en el fondo del río) que reduce el contenido de oxígeno del agua y sofoca el hábitat de los invertebrados y los sitios de desove de los peces . El contenido de oxígeno generalmente vuelve a la normalidad una vez que el agua ha pasado por encima de la cresta del vertedero (aunque puede estar hiperoxigenada), aunque el aumento de la velocidad del río puede erosionar el lecho del río y causar pérdida de hábitat.

Los diques pueden tener un efecto significativo en la migración de los peces . ^[6] Cualquier dique que exceda la altura máxima que una especie puede saltar o que cree condiciones de flujo que no se puedan evitar (por ejemplo, debido a una velocidad excesiva del agua) limita efectivamente el punto máximo río arriba al que los peces pueden migrar. En algunos casos, esto puede significar que se pierdan grandes extensiones de hábitat de reproducción y, con el tiempo, esto puede tener un impacto significativo en las poblaciones de peces.

En muchos países, actualmente es un requisito legal construir escaleras para peces en el diseño de un dique para garantizar que los peces puedan sortear las barreras y acceder a los hábitats aguas arriba. A diferencia de las presas, los diques no suelen impedir la migración de peces aguas abajo (ya que el agua fluye por encima y permite que los peces eludan la estructura en esa agua), aunque pueden crear condiciones de flujo que lesionen a los peces juveniles. Estudios recientes sugieren que las esclusas de navegación también tienen el potencial de proporcionar un mayor acceso para una variedad de biota , incluidos los malos nadadores. ^[7]

Aunque el agua que rodea los diques puede parecer relativamente tranquila, pueden ser lugares extremadamente peligrosos para navegar, nadar o vadear, ya que los patrones de circulación en el lado de abajo (normalmente llamado salto hidráulico ) pueden sumergir a una persona indefinidamente. Este fenómeno es tan conocido por los piragüistas, kayakistas y otras personas que pasan tiempo en los ríos que incluso tienen un nombre triste para los diques: "máquinas de ahogamiento". ^[8] El DNR de Ohio recomienda que la víctima "agache la barbilla, suba las rodillas hasta el pecho y las rodee con los brazos. Con suerte, las condiciones serán tales que la corriente empujará a la víctima a lo largo del lecho del río hasta que sea arrastrada más allá de la línea de ebullición y liberada por el sistema hidráulico". ^[9] La Policía Estatal de Pensilvania también recomienda a las víctimas "encorvarse, sumergirse hasta el fondo y nadar o arrastrarse río abajo". ^[10] Como el salto hidráulico arrastra aire, la flotabilidad del agua entre la presa y la línea de ebullición se reducirá en más del 30%, y si una víctima no puede flotar, escapar por la base de la presa puede ser la única opción para sobrevivir.

Hay muchos tipos diferentes de vertederos y pueden variar desde una simple estructura de piedra que apenas se nota, hasta estructuras elaboradas y muy grandes que requieren una gestión y un mantenimiento exhaustivos.

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  El puente y el mecanismo de presa en Sturminster Newton en el río Stour , Dorset , Reino Unido
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  Dos vertederos en el río Wear en Durham , Reino Unido: el vertedero inferior es un vertedero compuesto que también tiene escaleras para peces que permiten que peces como el salmón naveguen por el vertedero.
• 
  El dique de la esclusa de Hambleden en el río Támesis en Hambleden , Buckinghamshire . Se trata de un dique de cresta ancha, por el que el público tiene derecho de paso para cruzar el río utilizando su pasarela.
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  Un vertedero de tipo aguja operado manualmente cerca de Revin en el río Mosa , Francia
• 
  Un vertedero de cresta ancha en Warkworth , Nueva Zelanda
• 
  Una serie complicada de vertederos de cresta ancha y en forma de V en Dobbs Weir en Hertfordshire , Reino Unido

Un vertedero de cresta ancha es una estructura de cresta plana, donde el agua pasa sobre una cresta que cubre gran parte o la totalidad del ancho del canal. Este es uno de los tipos de vertedero más comunes que se encuentran en todo el mundo.

Un vertedero compuesto es cualquier vertedero que comprende varios diseños diferentes en una sola estructura. Se ven comúnmente en lugares donde un río tiene múltiples usuarios que pueden necesitar pasar por alto la estructura. Un diseño común sería uno en el que un vertedero tiene una cresta ancha en gran parte de su longitud, pero tiene una sección donde el vertedero termina o está "abierto" para que las pequeñas embarcaciones y los peces puedan atravesar la estructura.

Un vertedero con muesca es cualquier vertedero en el que la barrera física es significativamente más alta que el nivel del agua, excepto por una muesca específica (a menudo en forma de V) cortada en el panel. En momentos de flujo normal, toda el agua debe pasar a través de la muesca, lo que simplifica los cálculos del volumen de flujo, y en momentos de inundación, el nivel del agua puede subir y sumergir el vertedero sin realizar ninguna alteración en la estructura.

Un vertedero polinómico es un vertedero que tiene una geometría definida por una ecuación polinómica de cualquier orden n . ^[11] En la práctica, la mayoría de los vertederos son vertederos polinómicos de orden bajo. El vertedero rectangular estándar es, por ejemplo, un vertedero polinómico de orden cero. Los vertederos triangulares (con muesca en V) y trapezoidales son de orden uno. Los vertederos polinómicos de orden alto brindan una gama más amplia de relaciones de carga-caudal y, por lo tanto, un mejor control del flujo en las salidas de lagos, estanques y embalses.

• Vertedero de Crump
• Estructura de gota
• Presa de pesca
• Presa de cresta fija
• Canal artificial
• Presa de control internacional

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• Hidráulica de alcantarillas y puentes con pérdida mínima de energía (MEL) (haga clic en "continuar" en la página web de asesoramiento de UQ-ITS)