0696-B4
José Elorrieta Jove 1, José Luis García Rodríguez 2, Ricardo García Díaz 3, Enrique Onrubia Sobrino 4
Los caminos forestales españoles se diseñan habitualmente siguiendo las instrucciones de carreteras. Esto produce un impacto ambiental que podría reducirse fácilmente desarrollando técnicas alternativas para los diseñadores de pistas de saca públicas o privadas. Este proyecto desarrollará un producto final en forma de un documento prenormativo, que pueda ser fácilmente adoptado o tenido en consideración por los ingenieros en el diseño de drenajes de los caminos forestales. Siguiendo la metodología de diseño que se está desarrollando el resultado final será mucho más amistoso con el medio ambiente y estará en línea con los criterios de sostenibilidad, que es una prioridad de investigación. El equipo de investigación inició un proyecto de investigación en 1998 que buscaba conocer más a fondo las alternativas a los drenajes en los caminos forestales. El pasado proyecto se desarrolló en los laboratorios de la U.P.M. y en una estación experimental (una vía forestal con varios sistemas de drenaje superpuestos construidos expresamente para este fin), situada en un pinar de la sierra de Madrid. La propuesta actual pretende ampliar el desarrollo de los conocimientos ya adquiridos mediante la continuación de las mediciones de una serie de parámetros en la estación experimental y en una nueva instalación con diferentes condiciones de suelo. El análisis de los resultados dará lugar a una serie de recomendaciones que modifiquen la actual norma de drenajes de carreteras adaptándola a los caminos forestales para reducir el impacto ambiental. Con el producto del proyecto y su correcta difusión, el establecimiento de redes de pistas para el aprovechamiento de los montes se diseñará con criterios de sostenibilidad.
El proyecto, que se inició en 1988 con financiación de la Universidad Politécnica de Madrid (U.P.M.), será financiado por el Plan Nacional de I+D (ref: AGL2002-122) de España hasta el año 2004, fecha prevista para su conclusión definitiva. Hasta la fecha se viene prestando especial atención a la difusión de los resultados de la investigación según vienen produciéndose, bien a través de Congresos y publicaciones o a través de los propios investigadores. Estos resultados están teniendo gran aceptación y seguimiento, en especial por parte de las empresas de ingeniería y contratistas con el sector forestal.
El interés por esta línea de investigación radica en que en la actualidad, en España se construyen caminos forestales sin adecuarse a ninguna norma o bien siguiendo la admitida por la Dirección General de la Conservación de la Naturaleza, que se remite a la Instrucción de Carreteras (5.1. IC Drenajes). Dicha normativa es adecuada para la construcción de carreteras e incluso para vías forestales principales, pero su aplicación supone un elevado impacto medio ambiental en el resto de la red de caminos de nuestros montes, acompañada además de un coste elevado en pequeñas obras de fábrica, no siempre asumible en esta categoría de caminos económicos. Adicionalmente, la Instrucción de Carreteras (4.1 - IC Pequeñas Obras de Fábrica) obliga a unos diseños que se están reproduciendo en los caminos forestales actualmente y que sin embargo se alejan de lo deseable ambientalmente. Este problema se acentúa en el caso particular de los aprovechamientos forestales, ya que la optimización del transporte requiere densidades de pistas elevadas, normalmente por encima de los 25 - 30 m/ha. Los modelos conocidos demuestran que los trabajos selvícolas y los aprovechamientos realizados con densidades inferiores alcanzan precios demasiado elevados e incluso prohibitivos.
El proyecto pretende ampliar el desarrollo de una técnica que permita la construcción o adecuación de caminos forestales con un reducido impacto en el entorno ambiental.
Las técnicas alternativas de drenaje transversal incluyen las alcantarillas abiertas, que vienen situándose en pistas desde hace tiempo, pero sin criterios técnicos precisos, tanto en cuanto al diseño de las mismas como a su emplazamiento, lo que ha dado lugar a su escasa difusión en España, ya que los resultados son irregulares. Las ventajas de una correcta técnica de construcción e instalación de dichas alcantarillas abiertas son numerosas. La más importante es su mayor adecuación al entorno y la reducción de los impactos ambientales del camino.
Existe el antecedente de una guía debida a Megahan (1977) que aporta indicaciones de posibles ubicaciones de drenajes transversales en función de la orografía del lugar. Otros antecedentes conocidos destacados son los trabajos de Minematsu y Minamikata de 1983 que llegan a establecer una relación entre la pendiente del camino forestal y una separación de alcantarillas abiertas. Sin embargo, considera a la pendiente del camino como única variable. Los antecedentes mencionados y otros conocidos analizan sólo de forma parcial y difícilmente extrapolable el aspecto de los drenajes transversales y especialmente el de las alcantarillas abiertas.
Los impactos ambientales se reducen con los drenajes alternativos por dos motivos. El primero es que el escurrimiento del entorno del camino se mantiene más próxima a la natural, con tiempos de concentración poco modificados. Estos tiempos de concentración se reducen notablemente con la implantación de drenajes clásicos de acuerdo con la Instrucción de Carreteras (Drenajes 5.1 - I.C.), pero con las consecuencias ya conocidas. El segundo motivo fundamental es que los drenajes alternativos pueden permitir la supresión de las cunetas en caminos y pistas forestales. La supresión de las cunetas tiene muchas ventajas, pero aquí solo interesa destacar la menor anchura de la plataforma del camino, lo que reduce notablemente el movimiento de tierras y la altura de los taludes, como se aprecia en el perfil transversal de la Figura 1.
Fig 1. Diferencias de desmontes en un camino a media ladera con cuneta y sin ella
Este aspecto de la aplicación de alcantarillas abiertas a los caminos forestales ya construidos y sin cunetas es particularmente importante, ya que supone una solución óptima para la muy elevada proporción de pistas forestales en esta situación.
Los conocimientos científico-técnicos pueden considerarse suficientemente avanzados como para desarrollar una nueva normativa adecuada a los caminos forestales en los cuales se pretenda reducir su impacto, salvo por lo que se refiere a dos aspectos principales, aunque no únicos, en los que se trabaja mediante esta línea de investigación. El primero es la magnitud de la influencia en el monte de la interceptación del agua de escorrentía mediante la cuneta y el segundo es la determinación de las separaciones óptimas entre drenes en función de determinados parámetros, como son el apuntado anteriormente, la pendiente y tipo del terreno y otros como la erosión superficial de la pista (formación de regueros), el auto lavado de drenes, la erosión en taludes (tipo de suelo, altura e inclinación de los mismos), interceptación de aguas subterráneas, etcétera.
La línea experimental de este proyecto ha sido la combinación de aspectos hidrológicos, con los constructivos o de diseño, estudiando el comportamiento de los diferentes materiales atrapados en los drenajes abiertos propuestos como alternativas.
El recorrido del agua en una ladera es alterado por la construcción de un camino, sin que se sepa en qué medida afecta a la vegetación. Es evidente que las aguas de escorrentía e incluso las subterráneas son interceptadas por el camino pudiendo producir un descenso en la producción de materia vegetal en las laderas aguas abajo, quizá poco aparente o significativo en períodos húmedos, pero que pueden ser vitales en determinadas zonas de nuestro país con prolongados períodos de sequía
El equipo investigador lleva acumulando información sobre este tema desde hace cinco años. Se han realizado numerosas pruebas y ensayos tanto en laboratorio como en las propias pistas. De los objetivos que se pretendían alcanzar, algunos se han obtenido de forma satisfactoria y otros tan sólo parcialmente. De entre los múltiples resultados y conclusiones destacan las relativas a las pruebas de prototipos realizadas en el canal de experiencias de 10 metros de largo del laboratorio de Hidráulica. En ellas se relacionaron los tamaños de partículas con las pendientes necesarias para el lavado, obteniéndose las constantes hidráulicas correspondientes a los prototipos que se comentarán más tarde. En los trabajos de campo se determinó la viabilidad de las alcantarillas abiertas, en distintos casos posibles y se demostró que efectivamente existe una variación de la distribución de la humedad del suelo en que las alcantarillas abiertas intervienen de forma notable.
Se completó un análisis comparativo de las alcantarillas abiertas y la tecnología de drenaje existente en la actualidad en determinados supuestos, aunque sin agotar las posibilidades de la estación experimental construida al efecto en Cercedilla.
El proyecto del sistema de drenaje en una pista forestal tiene que tener en cuenta una combinación de drenajes superficiales y de tubos subterráneos que favorezca la evacuación de las aguas sobrantes. Las alcantarillas abiertas, propuestas en este trabajo, son muy eficaces en caminos de gran pendiente; se pueden realizar con diversos materiales entre los que se ha elegido la construcción con tablones de madera (Fig. 2), aunque se puede pensar en otros materiales (Darrach et al., 1982).
Los ensayos de campo propuestos se han dirigido para obtener las respuestas hidráulicas que permitan establecer alguna correlación con las descargas naturales de las microcuencas drenantes a las cunetas; relacionar las pendientes del drenaje y el arrastre de los materiales almacenados en los drenajes y, por último, estimar los caudales específicos, para establecer el diseño conjunto de los drenajes subterráneos y los superficiales, bien como alternativa de uso, bien como refuerzo en cabecera de los subterráneos.
El drenaje alternativo ensayado (Figura 2) consiste en un canal en madera de pino de diez centímetros de anchura, dimensión habitual en Europa Central y admitida en la FAO (1990), de longitud adaptable a la anchura de la pista, y de profundidad, 20 cm.
La instalación del tramo experimental en la pista forestal seleccionada, se encuentra situado en los montes de Cercedilla, en el paraje denominado Matalobos. Este entorno es representativo de un bosque de pino silvestre (Pinus sylvestris) y reúne una serie de parámetros ecológicos conocidos, lo que permitirá hacer el estudio extensible a zonas de características medioambientales semejantes.
Figura 2. Perfil transversal del drenaje alternativo ensayado en Cercedilla
En el tramo se han distinguido dos subtramos, como se puede apreciar en la Figura 3, delimitados por el Arroyo de Matalobos; donde se han instalado dos nuevas alcantarillas, una en cada tramo, dispuestas con arquetas y rejilla protectora superior para la recolecta de residuos y tubos de 40 cm de diámetro con una pendiente del 3 %.
Figura 3. Esquema de la estación experimental Cercedilla (antes de su ampliación)
Con este tipo de ensayos se determinó la pendiente transversal necesaria para conseguir el autolavado del drenaje y, por tanto, la reducción del mantenimiento y, por otra parte, observar el comportamiento ante la descarga de los drenajes instalados y medir los caudales de descarga provocados.
Para conocer el funcionamiento de los drenajes propuestos, se midieron las descargas con un aforador Flume Parshall, adaptado al ancho de la cuneta. Una vez instalado, se midieron los calados de entrada y salida a lo largo de la cuneta.
Con este fin se realizaron una serie ensayos de laboratorio combinando los efectos de la pendiente transversal y un mismo tipo de material, frente a un mismo caudal de descarga, una vez calculada la rugosidad del canal de madera. Se realizaron ensayos de arrastre de materiales, simulando el comportamiento de los mismos dentro del drenaje, para establecer las relaciones entre los caudales, los materiales y las pendientes transversales de los drenajes.
Se construyó un prototipo, según las exigencias técnicas establecidas, es decir, un canal en madera de anchura, 10 cm, al que se sometió a toda la gama de pendientes de la instalación del terreno (2%-5,5%).
Los experimentos establecieron los rangos de velocidades y, por tanto, de los caudales para un determinado número de pendientes ensayadas, con una gama de diámetros pertenecientes a los materiales del entorno de la pista forestal.
Se establecieron cuatro tipos de ensayos atendiendo a dos aspectos distintos: por una parte, el inicio de erosión y el arrastre total y, por otra parte, la forma en que se realizaría según el obstáculo encontrado dentro del drenaje. En cada uno de estos dos ensayos se emplearon cuatro diámetros: 3/2", 1", 3/4" y 1/2", representando a los tamaños medios de los materiales encontrados en las cunetas de la pista. Finalmente, se establecieron una serie de pendientes del prototipo (1% al 5%), que representarán a las más utilizadas en la práctica.
Tras unas medidas correctoras se optó por obtener, a partir de las velocidades y calados, el valor de los caudales Q (l/sg), y establecer nuevas relaciones entre éstos y las pendientes de cálculo. Además el análisis se centró en el denominado "tipo de prueba 4",es decir, el de arrastre total, por ser el que mejores resultados aparentes ofrecía en la correlación de las variables y, además suponía una menor subjetividad.
Figura 3. Resultados de ajuste logarítmico.
Después de nuevos ensayos, descartando la pendiente del 1% que generó problemas de desbordamiento del canal y el tamaño de 1 1/2", por tratarse de fracciones escasamente representada en los materiales depositados en los drenajes instalados, se obtuvieron una serie de curvas (Figura 3), resultado del ajuste logarítmico.
Según estas gráficas, como cabría esperar, el caudal necesario para producir el arrastre total de los materiales va disminuyendo a medida que aumenta la pendiente. Los valores observados permiten extraer una serie de conclusiones que se indican en el apartado correspondiente.
En la actualidad y en paralelo al actual proyecto de I+D se prevé la obtención de una patente y la difusión del actual conocimiento de la instalación de alcantarillas abiertas en dos servicios forestales para su emplazamiento en montes públicos.
Dado que la estación experimental empleada hasta ahora se sitúa en un pinar (Pinus sylvestris) con cierta densidad de arbolado y con condiciones edáficas que favorecen la infiltración, se considera necesario ampliar las experiencias a un suelo fácilmente erosionable, en una zona próxima a la universidad por motivos de economía de desplazamientos, habiéndose considerado que los suelos arenosos al Norte de Madrid son los que mejor se prestan a éstos fenómenos.
Se ha seleccionado una cuenca diferente de las del arroyo Matalobos en Cercedilla con el fin de estudiar los parámetros ya mencionados del drenaje para el mismo objetivo principal, la obtención de una metodología de cálculo de drenajes en pistas forestales, con un nivel operativo y con carácter prenormativo.
Las nuevas pistas seleccionadas se encuentran localizadas en el término municipal de Las Rozas de Madrid, en una zona completamente distinta en cuanto a sus características. La zona se encuentra en una dehesa de Pinus pinea denominada Dehesa de Navalcarbón, paraje con un gran valor ecológico en el entorno de este mismo municipio, donde la presión urbanística ha hecho que estos pequeños reductos forestales estén considerados de gran valor ambiental y cualquier impacto que se pueda producir esté muy precisado en la Concejalía de Medio Ambiente. Es evidente que los trabajos y conclusiones referidos en ambos casos a distintos ecosistemas en los que predomina el género Pinus son difícilmente extrapolables a montes con otros tipos de vegetación. Sin embargo, la mayor parte de los aprovechamientos forestales se realizan sobre pinares, motivo que se tuvo en cuenta en la selección de opciones. Hasta la fecha se ha detectado que el tipo de vegetación, por las características de sus hojas, influye muy directamente en la obturación de los drenajes.
El material que compone el substrato superficial del nuevo suelo seleccionado está formado por arenas y arcosas del Mioceno, de gran fragilidad a la hora de un lavado superficial por lluvias de un cierto grado de potencia erosiva, asociadas a un período de retorno por encima de 10 años, valor a partir del cual se calculan las cunetas en muchos drenajes de carreteras y caminos. Esta susceptibilidad a la erosión y la consecuente formación de regueros provoca una serie de daños indirectos como son:
Es esta facilidad en cuanto a la erosión por lo que se ha seleccionado la zona, ya que supone un caso extremo en los aspectos erosivos, que no se da en la estación experimental de Cercedilla. Debe señalarse que la densidad de arbolado (Pinus pinea) en la dehesa es reducida, por lo que la erosión se manifiesta con intensidad en aquellos sitios en los que el césped y el resto de vegetación local no crece, como es el caso de los caminos.
Tras la conclusión del proyecto subsistirá una limitación geográfica del objetivo principal a la zona centro, la cual está motivada por las condiciones ambientales con las que se ha trabajado en el proyecto. Esta limitación sería fácilmente superada en las restantes regiones limítrofes mediante la adaptación correspondiente a otras condiciones de pluviosidad, por poner un ejemplo. Se dispone de muestras de interés para ampliar la realización de ensayos tanto en la zona Norte como en el Sur, que podrían desarrollarse por equipos de dichas zonas, en cuyo caso el equipo investigador prestaría la asistencia necesaria.
Se realizará una instalación en la cuenca del río Bidasoa una réplica de la estación experimental de Cercedilla, de modo que puedan contrastarse los resultados y validarse la metodología en la región cantábrica.
En definitiva, una vez conocidas y cuantificadas las ventajas de cada tipo de drenaje, se determinará la metodología precisa para la determinación de la separación óptima de las tajeas abiertas. Adicionalmente a los parámetros básicos como la pluviosidad, se considerará el tipo de suelo, la pendiente, tráfico, etcétera. Con la información generada se confeccionará un manual técnico, con carácter prenormativo, que permita que los caminos forestales, como infraestructura principal de los aprovechamientos forestales se diseñen de modo que se altere de forma mínima el funcionamiento y evolución de los ecosistemas.
Así mismo, la selvicultura está notablemente influenciada por la densidad de pistas en el monte. Es una realidad imposible de obviar, que los costes de gestión del monte se incrementan notablemente con densidades bajas de pistas. Todo ello por no mencionar la imposibilidad de realizar claras o trabajos preventivos de incendios por el elevado coste del transporte, en aquellos casos en que las pistas son escasas o intransitables. Otro tanto puede decirse de las reforestaciones, que requieren una mínima densidad de pistas para ser viables en términos económicos.
Los drenajes transversales en pistas forestales con pendientes de moderadas a fuertes, se deben sustituir en muchos casos por este tipo de drenajes, por tener un menor coste de construcción y mantenimiento, iguales condiciones de confort para la circulación de vehículos y una notable reducción de impactos medioambientales.
Los criterios de instalación, como son la separación de tajeas, su inclinación, modificaciones de diseño, etc. presentan notables ventajas si se realizan de acuerdo con los resultados obtenidos.
Manteniendo la instalación diseñada en la pista forestal de los drenajes con una pendiente transversal entre el 2% y el 5%, se asegura el autolavado del canal del dren y, por tanto, su automantenimiento.
Los materiales de mayor tamaño presentan cierta dificultad al arrastre, a causa de un "efecto coraza" observado, una vez iniciados los primeros movimientos de los materiales. El impacto ambiental que supone la construcción de un camino forestal disminuye, al reproducirse las circunstancias naturales más fielmente.
Se ha conseguido la relación de intensidades de lluvia con caudales específicos, de tal manera que se puedan aplicar a zonas con las mismas características pluviométricas y fitolitológicas que Cercedilla.
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1 Doctor Ingeniero de Montes. Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Madrid
Dirección: E.T.S. Ingenieros de Montes (Universidad Politécnica de Madrid).
U.D. Hidráulica e Hidrología
Ciudad Universitaria s/n
28040 MADRID
Tel: +34 91 336 50 36
e-mail: [email protected]
2 Doctor Ingeniero de Montes. Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Madrid
Dirección: E.T.S. Ingenieros de Montes (Universidad Politécnica de Madrid).
U.D. Hidráulica e Hidrología
Ciudad Universitaria s/n
28040 MADRID
Tel: +34 91 336 63 94
e-mail: [email protected]
3 Doctor Ingeniero de Montes. Técnico Especialista de Laboratorio de la Universidad Politécnica de Madrid
Dirección: E.T.S. Ingenieros de Montes (Universidad Politécnica de Madrid).
U.D. Hidráulica e Hidrología
Ciudad Universitaria s/n
28040 MADRID
Tel: +34 91 336 63 94
e-mail: [email protected]
4 Ingeniero de Montes
Dirección: E.T.S. Ingenieros de Montes (Universidad Politécnica de Madrid).
U.D. Hidráulica e Hidrología
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