Ingenieros de canales del Perú preinca

Ingenieros de canales del Perú preinca 

Los ingenieros de Chimor construían canales para transportar agua de los ríos a los campos situados a unos 40 kilómetros de distancia. Implacables fuerzas geológicas se encargaron de destruirlos. 

Hacer fluir agua hacia abajo podría parecer algo sencillo, pero cuando el caudal lo lleva un río situado a varios kilómetros de los campos de riego, el asunto se complica.

A este problema se enfrentaban los antiguos ingenieros del reino chimor, una de las sociedades que domino la costa del Perú y fue conquistado por los incas.

Chimor podría adaptarse perfectamente al nombre de sociedad hidráulica, en el árido paisaje de las estribaciones costeras andinas, los Chimú dependían completamente del riego para producir el alimento necesario para el mantenimiento de su pueblo.

Así se convirtieron en expertos ingenieros hidráulicos , capaces de diseñar con gran precisión canales y de construirlos eficazmente.

Según parece, los Chimú necesitaban todos los conocimientos técnicos a su alcance, porque su entorno se transformaba de forma amenazadora para los canales. Debido a la tectónica de placas y a los espasmódicos movimientos sísmicos de la costa sudamericana, los ríos que bajan por los andes modifican continuamente su lecho en un paisaje que se transforma continuamente, lo que ocasionaba un decremento en el caudal., a medida que el río abastecedor atrincheraba y enarenaba las bocas de los canales. Fenómenos climáticos como El Niño y las corrientes térmicas complicaban el problema. Por medio de modificaciones hacían frente a el problema.

La región que en otro tiempo era dominada por los Chimú es una franja rectangular que se extiende a lo largo de la costa norte del Perú, desde la cordillera negra de los Andes hasta el océano pacífico. Su límite norte se sitúa cerca de la frontera meridional de Ecuador y su limite sur se sitúa aproximadamente a la altura de Lima. A lo largo de esta franja costera, muchos ríos excavan valles, desde los altiplanos andinos hasta el Pacífico; en estos valles fluviales se ha concentrados siempre la agricultura. Este imperio se centraba en el valle del río moche, donde se encontraba Chan Chan, la capital de los Chimú. En su momento culminante , la Chimú era una comunidad dividida en clases sociales bien diferenciadas. En la cima se hallaba el rey con su séquito. Le seguía la nobleza, luego la clase urbana compuesta por criados, artesanos y transportistas, fuera de Chan Chan había a una clase rural que incluía trabajadores de campo que suministraban la base de la subsistencia.

Según parece, estos fueron quienes aportaron la mano de obra para la construcción de los canales. La administración de Chan Chan exigía al pueblo un impuesto laboral, que se utilizaba en la construcción de canales, jardines y otra clase de mejoras. Una vez diseñado el curso del canal se formaban cuadrillas de 10 o 20 hombres para excavar o remover las piedras del cauce. La cuadrilla trabajaba con elementos de bronce y martillos de piedra. 

Una vez construidos los canales traían agua principalmente de noviembre a mayo que es la estación lluviosa. Esta forma de suministro era suficiente para satisfacer cosechas de maíz, frijoles, especias, árboles frutales y algodón. Los cultivos se realizaban en campos surcados en serpentina, ceñidos al trazo del canal, a una altura ligeramente inferior. Bocas de derivación llevaban el agua hasta los campos de labor. Esos canales secundarios se regulaban mediante compuertas estaciónales que elevaban el nivel de agua hasta presas con estructura en pendiente y así distribuían el agua de riego por los cultivos.

Siguiendo este plan general se construyeron muchos canales.

Los dos mas cercanos a los Chimú. son: el sistema del valle del moche y el canal de Entrevalles, que traía agua al valle del moche desde el valle del río chimaca ( el siguiente al norte del valle del moche).

Estos dos sistemas y su evolución ilustra de manera excelente que recursos desplegaban los constructores de canales en su intento de preservarlos contra los cambios impuestos por su entorno.

Quizás el más significativo de estos cambios fue la caída continua del nivel del caudal en los canales. Esa merma, se debía a su vez a las interacciones entre las grandes placas tectónicas que teselan la superficie terrestre, fuera mismo de la línea de costa de Sudamérica, la placa de nazca se introduce bajo la placa sudamericana en una zona de subducción, causando en la costa oeste de Sudamérica una elevación y deformación progresiva. A medida que la región costera se eleva, los ríos deben restablecer el equilibrio en la pendiente de su cauce erosionando el limo que antes se había depositado. Tal reducción trae consecuencias desastrosas para un sistema de canales basado en la gravedad.

El levantamiento de la costa deforma también grandes segmentos de canal; canales que antaño llevaban aguas gracias a la gravedad , discurren ahora cuesta arriba.

Otros factores medio ambientales afectaron los canales. La elevación de las playas del pacífico dejo expuestas grandes cantidades de arena, que los vientos que soplaban en dirección al continente transportaron hacia el interior. La arena se amontonaba en enormes dunas que avanzaban cada año unos metros de tierra adentro, creando un entorno inflacionario, y al ser arrastradas de nuevo al mar creaban un entorno deflacionario. Además las inundaciones de El Niño, causado por corrientes templadas de la costa, que adquieren su forma mas rigurosa cada cincuenta años aproximadamente y desatan una tremenda fuerza destructora.

Se hizo frente a ese reto de la naturaleza con innovaciones graduales que persistieron largo tiempo. El primer estilo de construcción de canales en el valle de Moche se debe a los predecesores de los Chimú: el pueblo de la cultura Mochica, que alcanzo su apogeo entre el 100 y el 800 d.C. Estos primeros canales, o grandes zanjas, eran trincheras hondas que atravesaban un paisaje inflacionario con mucha arena. El terreno, suavemente inclinado y lleno de arena, podía surcarse fácilmente con largas zanjas. Se construyeron muchas en el valle de Moche. Zanjas con tomas en el río Chicama regaban el norte del valle de moche, incluidos los tramos mas septentrionales de la pampa Huanchaco, que formaba parte del área de Tres Pampas, región granera cerca de Chan Chan y de gran importancia. Una zanja que partía del mismo río Moche regaba la pampa cacique y las zonas costeras cercanas a la antigua Mochica, capital de Moche.

Sin embargo, conforme el levantamiento tectónico y la consecuente reducción de los lechos de los ríos continuaba, el sistema de largas zanjas resultaba menos viable. Los brazos que llevaban agua del río al canal estaban excavados en la vertiente del valle fluvial. A medida que el río se abría paso por su nuevo lecho, la boca de acometida quedaba cada vez mas alta con respecto al fondo del río. El resultado era un caudal que decrecía. Por último, la boca del canal podía enarenarse o quedar en alto y secarse.

En un sistema de zanjas , el problema puede solucionarse ahondando la boca de entrada del canal para posibilitar que vuelva a fluir el agua. Aunque no basta con rebajar la boca de entrada, debe rebajarse la zanja entera para que el agua fluya. Esa operación resultar eficaz solo durante algún tiempo. Para que el agua llegue a los campos el canal debe encontrarse por encima de la superficie del cultivo. Como un sistema de canales en zanja debe rebajarse repetidamente, se pierde para el regadío cada vez mas tierra. Y, así, esa labor acaba por suprimir la agricultura en la región de la Pampa Cacique.

La solución al problema consistía en reemplazar los canales en zanja por un tipo de sistema completamente nuevo: canales que siguieran las curvas de nivel. Este tipo de canal se ciñe estrechamente a la topografía del terreno y permite mantener una inclinación pequeña y constante, a medida que desciende. Contrario al sistema de zanjas, los sistemas que siguen las curvas de nivel requieren habilidades especiales en los ingenieros para encontrar el curso correcto. Se precisan también estructuras de relleno, como acueductos (que salven las quebradas o cañones abiertos por la erosión de la lluvia) y terrazas (para conducir fácilmente los canales a través de las laderas de las estribaciones andinas , muy accidentadas). Estas técnicas se introdujeron, poco a poco según las necesidades y los cambios. Cuando todos los canales estuvieron en marcha constituyeron la base de un poderoso sistema de precedentes. 

Una de las claves de esta nueva canalización fue la colocación de la acometida lo mas cerca posible del nacimiento del río. Cuanto mas arriba se instalaba la toma, mayor era la zona de tierras en pendiente que podía ser irrigada por el sistema de canales. El punto mas alto de toma se determinaba por la configuración rocosa de las estribaciones andinas. El utillaje elemental de herramientas de piedra y bronce de los Chimú bastaba para excavar los blandos lechos fluviales depositados por el río, pero no servían para abrir cauce entre las montañas de granito. Por ello, el punto de toma mas alto se encontraba en el río Moche, allí donde abandona la sierra y atraviesa el delta del fluvial de su propio valle. Y allí se instalaron estas tomas cuando los Chimú construyeron los primeros canales primitivos que seguían las curvas de nivel en su máxima altura. Estos sistemas de canales de alta elevación se encontraba a ambos lados del río Moche; el sistema del norte regaba la rica zona de tres pampas y el sistema del sur hacia lo propio con la pampa cacique.

El canal de Entrevalles se extendía a lo largo de 74 kilómetros, desde el río Chicama hacia los sistemas de canales que seguían las curvas de nivel en la vertiente norte del valle de Moche. Con la unión de estos sistemas se podía reestablecer la producción agrícola en el área de Tres Pampas. Además , mediante la construcción de derivaciones especiales en pendiente del sistema de canalización de la Pampa Huanchaco, próxima a Chan Chan, esperaban ampliar el área de cultivo que dependía del suministro hídrico aportado por el canal de Entrevalles. El caudal proyectado en el sistema que cubría los valles debía satisfacer la demanda del campo Tres pampas en sus momentos de pleno rendimiento. Aunque el canal de Entrevalles prolongó su radio de acción hasta la Quebrada del Oso, por el sur, las alteraciones sufridas en su recorrido impusieron su abandono antes de que se estableciera la conexión con el canal de Vichansao. Por culpa de ello, se perdía la mayor parte de los campos de las Tres Pampas; solo persistía la agricultura de ribera merced a un sistema de canalizaciones en el curso bajo del río.

El transito de los sistemas del valle del Moche a los del canal de Entrevalles dan testimonio a las innovaciones de estos ingenieros. Se remite a la forma y construcción del canal, proceso que se revela con especial claridad en el de la Pampa Huanchaco. Las fases primitivas del sistema parecen pertenecer a las zanjas abiertas en suelos de arena; los restos excavados revelan perfiles de sección transversal característicos de la erosión por agua en suelos de arena.

Hacia 1100 d.C. El Niño desató una inundación catastrófica acabando con la red de canales de la Pampa Huanachaco y con otros sistemas por completo. 

El desastre ofreció a los ingenieros hidráulicos la oportunidad de reconstruir el sistema partiendo de nuevos planteamientos. Los segmentos construidos son menos suntuosos que sus predecesores. Los nuevos canales presentaban revestimiento rocoso y una luz de cauce menor que la de los anteriores.

Pero hay algo extraordinario: la sección transversal o luz de estos canales reconstruidos se aproxima a la forma que los ingenieros actuales defienden como la mas eficiente desde el punto de vista hidráulico, entre los tipos de secciones trapezoidales, el semihexágono. 

Este tipo de sección reduce al mínimo el perímetro en contacto con el agua, para una determinada superficie del canal , y le permite el mayor flujo posible. Estas innovaciones relajan la resistencia del canal y ayudan a mantener alta la tasa de flujo incluso ante un suministro permanentemente menguante. La superficie de sección transversal así limitada aumentaba también la profundidad del agua, evitando la colmatación de los ramales de distribución.

Para regar la mayor extensión posible de campo, el canal que sale del río debe arrancar de una boca del curso superior y discurrir junto al desnivel constante del valle que abarca la mayor superficie de terraza, este sigue las curvas de nivel. Cuanto mas suave la pendiente del canal, mayor sería la cantidad de terreno en desnivel que regaría. Por lo tanto la pendiente en un canal debe ser suave y las del lecho de la Pampa Huanchaco lo eran (orden de 0.009 en la mayor parte del sistema, nueve metros cada mil).. Pero hasta el momento no se reporta nada escrito ni anotaciones matemáticas entonces cómo se hacían las mediciones topográficas?

Analizando una cerámica chimú en forma de cilindro que tiene a un lado un orificio y al otro una figura en forma de cruz. Un cuenco de nivelación esta sujeto a la parte superior del cilindro, basándose en el diseño y en la función como un aparato topográfico, se construyó un aparato (cuenco) similar con los mismos principios. Tanto el lado horizontal como vertical de la cruz esta graduado , en la cara interior del cuenco hay tres marcas que definen una superficie plana paralela a un tubo hueco de observación, cuando el tubo atraviesa el agujero y el centro de la cruz.

Cuando se llena de agua el cuenco y se coloca a continuación sobre un recipiente mayor y somero, sujeto sobre un trípode y relleno de arena , la posición del cuenco puede ajustarse hasta que el nivel del agua alcanza las marcas interiores del cuenco. Esta superficie de agua define entonces un horizonte artificial, que corre paralelo al tubo de observación. El tubo se puede mover verticalmente para observar a través de el una barra de longitud conocida, colocada verticalmente a determinada distancia. Este procedimiento proporcionaría el ángulo vertical; el ángulo horizontal se establecería mediante cálculos sencillos.

El canal de la Pampa Huanchaco da una idea de la capacidad innovadora de los chimú, pero es el imponente canal de Entrevalles el que proporciona mas información sobre los trazados óptimos según los Chimú. En esta se presencia muchos segmentos que muestran interesantes variaciones en la geometría de su cauce, que no eran accidentales, qué papel desempeñaban?

Un dato orientador: bastantes segmentos de ésos se hallan encima mismo, curso arriba, de grandes acueductos ( como los que conducen agua salvando una quebrada). Puesto que los acueductos son de grandes dimensiones y requieren un duro trabajo, cabe presumir que esos segmentos se proyectaron para preservar al acueducto de los efectos de la erosión durante los cambios bruscos de caudal provocados por las inundaciones. Se construyó un modelo a escala de una sección de canal situado por encima mismo de un acueducto, para observar su desarrollo bajo diferentes condiciones de flujo.

Los resultados de estos experimentos fueron reveladores. Se sometió el segmento de canal a una serie de tasas de flujo distintas en la boca de entrada .En hidráulica, esta serie se suele describir mediante una magnitud: el número de Froude. Este es el cociente entre la velocidad del flujo en movimiento y la velocidad de las pequeñas ondas de gravedad que se producen en las aguas someras de los canales, como resultado de cualquier cambio momentáneo en la profundidad local del agua. La velocidad de onda es proporcional a la raíz cuadrada de la profundidad. De ahí que un flujo de escasa profundidad y gran movimiento como el que resulta de una fuerte precipitación tendría un numero de Froude por encima de la unidad, mientras que un caudal profundo y de movimiento lento tendría un número de Froude menor que la unidad

Seguimos el comportamiento del modelo de canal para una escala de números de Froude en la acometida que iba desde muy por debajo de la unidad hasta muy por encima de ella. Curiosamente, cuanto mayor era el numero de Froude en la toma, menor era en la salida 

Este número en la salida puede considerarse medida de la capacidad de un fluido para dañar, por erosión, los revestimientos de la pared del acueducto. Por tanto, los ingenieros Chimú frenaban la erosión en los acueductos colocando segmentos aguas arriba que disminuían drásticamente la capacidad erosiva del caudal, aun cuando aumentara su velocidad. 

Un análisis del comportamiento del modelo de segmento puso de manifiesto que semejante logro no pudo llevarse a cabo a la primera. Para entender ese comportamiento se necesita poseer algún conocimiento de distintas pautas de flujo en un canal abierto, lo que los ingenieros hidráulicos califican como regímenes hidráulicos. Un régimen subcrítico corresponde a un número de Froude inferior a la unidad. La altura del caudal puede aproximarse asintóticamente a la profundidad normal o a la crítica, según sea la profundidad de caudal inicial, para valores pequeños de la pendiente del lecho. A una profundidad normal el caudal se mantiene uniforme y corre paralelo al suelo del canal en conducciones de sección eficaz rectangular. Las profundidades normal y críticas son valores teóricos que dependen del perfil del canal, la rugosidad de la pared y la pendiente utilizada para caracterizar el régimen del caudal.

Un régimen supercrítico, por otro lado, corresponde a un número de Froude mayor que la unidad. Estos flujos rápidos sobre canales en pendiente se acercan asintóticamente a la profundidad normal, siempre que la profundidad inicial sea menor que la profundidad crítica. Además, los flujos producen discontinuidades en velocidad y profundidad, los saltos hidráulicos, cuando aparecen contracciones en el canal o cambios repentinos en la pendiente del lecho.

Quizás lo mas significativo sea que los regímenes subcríticos y supercríticos se comportan de forma muy diferente cuando el canal se ensancha. Cuando un caudal subcrítico entra en un canal mas ancho, se expande y desacelera. Un caudal supercrítico, en cambio, acelera su velocidad cuando su canal se ensancha mientras su profundidad disminuye. Estas nociones fundamentales ayudan a entender qué sucede en el modelo del segmento.

Curso arriba, el segmento es estrecho; se ensancha hacia la mitad del recorrido, en una cuenca semicircular. En los casos de números de Froude bajos en la toma, el caudal subcrítico experimenta una disminución de la velocidad por culpa de los efectos de la expansión. Conforme el número de Froude aumenta en la toma, aparece un vórtice en la depresión. Para números de Froude altamente subcríticos (próximos a uno), la línea de flujo del vórtice actúa como una pared virtual, que produce el mismo efecto que el estrechamiento de la luz del canal. vórtice abajo, el caudal reduce su velocidad, en virtud otra vez de los efectos de expansión. 

En un caudal de toma supercrítica , el vórtice crea, parece, una pauta de línea de flujo deformada, capaz de generar un estrangulamiento. Se provoca así un salto hidráulico, por encima de la zona angosta. Esta discontinuidad en el flujo señala la brusca transición de un régimen supercrítico a otro subcrítico. Por ser subcrítico el caudal tras el salto, la expansión que se presenta curso bajo promueve la desaceleración de la velocidad.

Esta sección de conformación insólito del canal de Entrevalles se muestra eficaz para rebajar el número de Froude en la salida (mediante la reducción de la velocidad del caudal y el incremento de su altura) y no daña, por tanto, el revestimiento del acueducto que se halla curso abajo. Además, una represa de derivación puede recoger el agua sobrante cuando la altura que trae el agua tras el salto hidráulico excede la altura de la presa del canal. Puesto que la altura, pasado el salto, se incrementa con el número de Froude en la toma, el embalse ofrece otro servicio protector, para drenar el flujo procedente del canal. El empleo de un canal de sección en forma de cruz (junto con los cambios operados en la rugosidad de la pared) para encauzar un flujo que se mueva dentro de cierta gama de números de Froude, cuando no puede modificarse fácilmente la pendiente del lecho, debido al fondo rocoso, constituye la mayor innovación hidráulica del canal de Entrevalles. 

Algo de admirar puesto que no se conoce anotación matemática alguna. Pero ni siquiera esta perfección fue suficiente para evitar el hundimiento de los sistemas agrícolas del valle de Moche. Su reducción acabo por forzar el abandono de los sistemas roturados en el curso alto; los últimos canales (abiertos tras el abandono del canal de Entrevalles) tenían tomas curso abajo; traían agua para regar sólo una pequeña parte de los campos antaño. Por último cultivaron la tierra dentro de los muros Chan Chan, que solo podía abastecerse con el sistema de canalización mas bajo.

Esto pudo haber sido uno de los factores que facilitaron la conquista de la capital de chimor por los Incas. Es sorprendente que en una época de continua degradación hubo gente que, con sencillos instrumentos fue capaz de desarrollar técnicas de ingeniería innovadoras y eficaces, necesarias para mantener un progreso y una cultura.

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/historia/peru/index.html