Hidrulica Fluvial

Medida de Transporte de sedimentos

PRESENTADO POR: Becerra Melo Jenny Nathalia

PRESENTADO A: Ing. Hctor Alfonso Rodrguez

Bogot D, C Marzo de 2011

MEDIDA DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS El clculo de la prdida de suelo a partir de la medida del movimiento de los sedimentos en las corrientes y los ros tropieza con varios problemas. El movimiento de los sedimentos en las corrientes y ros presenta dos formas. Los sedimentos en suspensin estn constituidos por las partculas ms finas mantenidas en suspensin por los remolinos de la corriente y slo se asientan cuando la velocidad de la corriente disminuye, o cuando el lecho se hace ms liso o la corriente descarga en un pozo o lago. Las partculas slidas de mayor tamao son arrastradas a lo largo del lecho de la corriente y se designan con el nombre de arrastre de fondo. Existe un tipo intermedio de movimiento en el que las partculas se mueven aguas abajo dando rebotes o saltos, a veces tocando el fondo y a veces avanzando en suspensin hasta que vuelven a caer al fondo. A este movimiento se le denomina saltacin y es una parte muy importante del proceso de transporte por el viento; en la corriente lquida la altura de los saltos es tan reducida que no se distinguen realmente del arrastre de fondo. El clculo de la carga en suspensin por muestreo es relativamente sencillo, pero tomar una muestra representativa del arrastre de fondo resulta difcil. A continuacin se examinan brevemente ambos tipos de muestreo, al igual que el clculo del movimiento total de sedimentos y las estimaciones basadas en mediciones de la cantidad de los depsitos en los pozos o los lagos. Medicin de Carga de fondo Localizacin y nmero de muestras verticales Para evitar la recoleccin de muestras de material de fondo de un cauce perturbado, lo mejor es obtenerlas antes de tomar otras medidas. El nmero y localizacin de las muestras de material de fondo requeridas en una seccin transversal debe ser adecuada para proporcionar una poblacin estadsticamente representativa. Para obtener esta poblacin se deben recolectar de 10 a 20 muestras uniformemente espaciadas de material de fondo tomado de una seccin transversal. Mtodos para recoleccin de muestras 1. SEWI (Single equal width increment): Se divide la seccin transversal con 20 verticales uniformemente espaciadas y se recoge una muestra por vertical. (Figura 1). Para tener una mejor comprensin de las caractersticas locales se recomienda analizar cada vertical de forma individual.

Figura 1. Mtodo para recoleccin de muestras SEWI. Carga de fondo.

2. MEWI (Multiple equal width increment): Se recoge una muestra de 4 o ms de verticales uniformemente espaciadas y se repite el proceso hasta recoger 40 muestras. Figura 2. Si las muestras recogidas son envasadas por separado el tiempo de la toma de muestras no tiene que ser igual en todas las verticales, si las muestras son mezcladas el tiempo de de muestreo en cada vertical debe ser igual.Figura 2. Mtodo para recoleccin de muestras MEWI. Carga de fondo.

3. UWI (Unequal width increment): Se recoge una muestra de 4 o ms de verticales desigualmente espaciadas hasta recoger un total de 40 muestras. Este mtodo requiere que se conozca previamente las velocidades y profundidades a travs de la seccin. La localizacin de las verticales depende en gran medida del mtodo que se utilizar para el clculo de la carga de fondo. Figura 3.Figura 3. Mtodo para recoleccin de muestras UWI. Carga de fondo.

Por lo general un tiempo de muestreo que no exceda 60 segundos es el ideal. Debido a las variaciones temporales en las tasas de transporte de carga de fondo, no es fcil determinar el tiempo de muestreo. Clculo de carga de fondo a partir de mediciones La tasa de transporte de fondo en una muestra vertical se calcula como:

Donde,

La carga de fondo tomada por el toma-muestras Helley-Smith (ver muestreadores tipo caja, ms adelante) se puede calcular por el mtodo de la seccin transversal total, de la seccin media o por el mtodo de la media de la seccin transversal. Para usar el mtodo de la seccin transversal total se deben cumplir las siguientes condiciones: * Los tiempos de la muestra (T) en cada vertical deben ser iguales. * Las verticales deben ser espaciadas uniformemente a travs de la seccin transversal (SEWI o MEWI). *La primera muestra se debe tomar desde la orilla en la mitad del ancho definido por la primera vertical.Figura 4. Mtodo se seccin transversal total. Carga de fondo.

La carga de fondo de acuerdo con este mtodo se calcula como:

Donde,

El mtodo de la seccin media se calcula con la siguiente expresin:

Donde,

Figura 5. Mtodo de la seccin media. Carga de fondo.

El mtodo de la media de la seccin transversal define que el caudal de fondo se puede calcular como:

Donde,

Figura 6. Mtodo de la media de la seccin transversal. Carga de fondo.

Mediciones directas Para la medicin de carga de fondo existen diferentes tipos de muestreadores. Muestreadores tipo canasta, muestreadores tipo bandeja, muestreadores tipo pozo, entre otros. y Muestreadores tipo caja y tipo canasta:

El muestreador tipo canasta consta de un recipiente permeable donde se acumula carga de fondo, de una estructura de soporte y los cables para hacer la toma de muestras y de una paleta para dar la direccin adecuada. La operacin de muestreo consiste en bajar el muestreador al lecho; ya en el fondo la parrilla frontal se abre y entra el agua y la carga de fondo en la canasta, debido a la reduccin de velocidad por la obstruccin al flujo. Al final de la medicin la puerta se cierra y se registra el tiempo de medicin. Existen algunos muestreadores denominados de diferencia de presin, para asegurar que las velocidades de entrada y de la corriente sean aproximadamente iguales, las paredes del muestreador divergen hacia la parte posterior. Los problemas que plantean los muestreadores del arrastre de fondo son:

El muestreador perturba la corriente y modifica las condiciones hidrulicas en su punto de entrada. El muestreador tiene que descansar en el lecho de la corriente y tiende a hundirse en l al producirse una socavacin en torno suyo. La pared inferior del toma-muestras debe ser de un material que se ajuste fcilmente a la configuracin del lecho. Para mantenerse estable en el fondo tiene que ser pesado, lo que dificulta su uso cuando se lo baja desde puentes o desde torres construidas con ese fin. Un muestreador tiene que reposar sobre un lecho razonablemente liso y no estar apoyado encima de piedras o cantos rodados. Una fuente de error en el resultado puede ser que las muestras no se sienten inmediatamente en el lecho, lo que permite una especie de erosin local por debajo del toma-muestras. El toma-muestras no se debe llenar en su totalidad. Por lo general, la calibracin del sistema de muestreo determinar el rango adecuado. Se han desarrollado y construido diversos diseos de muestreadores tipo canasta en los ltimos aos. Un muestreador tpico de canasta es el Mhlhofer, diseado y utilizado por MHLHOFER (1933) para medir la carga de fondo en los ros de Tyrol. Figura 8. El diseo original de este sistema de muestreo tena un placa rgida en la parte inferior, pero se reemplaz por una serie de anillos de hierro tejidos que se ajustan mucho mejor a las formas de fondo.Figura 7. Muestreador de canasta Mhlhofer.

Uno de los muestreadores de diferencia de presin ms conocido en el muestreador Arnhem o Bedload transport meter (BTMA), sugerido por SCHAANK (1937). Figura 9. Su propsito es medir la carga de fondo de arena gruesa y grava. El muestreador tiene una abertura de 0.085 x 0.05 m2. La canasta localizada detrs es de malla de alambre y tiene 0.53 x 0.15 m2. El instrumento es de construccin robusta, pesa alrededor de 57 kg y debe

ser manejado por un pescante o torre de perforacin. Tiene 1.83 m de largo y 0.89 m de ancho.Figura 8. Muestreador de diferencia de presin. BTMA

Un muestreador tipo caja es el Karolyi, cuya altura se incrementa hacia atrs ha sido diseado por KAROLYI (1947). Ver figura10. El equipo pesa 90 kg aproximadamente, a este ingresa la mezcla de agua y sedimentos. En la parte trasera la caja tiene una pared perforada que atrapa la carga de fondo y deja libre el agua. NOVAK (1959) mejor este muestreador obteniendo el VUV con 70 por ciento de eficiencia. Figura 11.Figura 9. Muestreador de caja. Karolyi.

Figura 10. Muestreador tipo caja. VUV

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Muestreadores tipo bandeja

Muestreadores tipo bandeja consisten en una pared de fondo y dos laterales. Esto conforma una trampa de sedimentos. Muestreadores de este tipo han sido presentados por investigadores soviticos como Shamov, Poljakov. Losiebsky y otros. El uso de este tipo de muestreadores se limita a corrientes con velocidades bajas y cargas de fondo bajas. y Muestreadores tipo pozo Las depresiones en el fondo del canal se pueden instalar para captar y acumular la carga de fondo. Si un dispositivo mecnico que se instala permanentemente elimina el sedimento acumulado, se obtiene un registro continuo de la tasa de carga de fondo en la seccin de medicin. Se puede cavar un agujero en el lecho de la corriente, retirar y pesar el material que cae en l. La cuenca aguas arriba de un vertedero o canal de aforo puede actuar anlogamente como una trampa de sedimentos, pero es posible que no se sepa si se ha recogido todo el arrastre de fondo. En los lugares con grandes cargas de arrastre, este procedimiento puede necesitar mucho tiempo y resultar engorroso. Figura 12.Figura 11. Trampa de arrastre de fondo

HUBBELL (1964) propuso el diseo de un muestreador tipo pozo porttil. Figura 13.Figura 12. Muestreador tipo pozo. Hubbell.

Mediciones indirectas: y Muestreadores tipo pala La mayora de los dispositivos de medicin utilizados para el muestreo de fondo tienen la desventaja de la prdida de partculas finas mientras se recupera el equipo. El muestreador de pala es aerodinmico y toma la muestra a 2 inch por encima del lecho. Dos muestreadores de este tipo se han desarrollado: uno pesado (100 lb) US BM-54 y uno liviano (30 lb) US BM 60. Ambos muestreadores se sellan cuando el tanque se cierra. Figura 14.

Figura 13. Muestreador de pala US BM - 60

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Muestreadores de sonido

La carga de fondo crea ondas de sonido audibles. Los instrumentos acsticos estn diseados percibir estas ondas. El equipo consiste en un micrfono bajo el agua, situado a cierta distancia de la parte inferior, un amplificador y una grabadora. Los sonidos producidos por las colisiones entre las partculas y el instrumento, son grabados. Mediciones obtenidas con estos equipos fueron estudiadas por DEBSKI (1965). y Trazadores radioactivos

La tcnica consiste en insertar en la corriente un trazador radioactivo en una forma similar al arrastre de fondo, es decir, que debe tener la misma forma, dimensin y peso que el sedimento natural. El movimiento aguas abajo puede as vigilarse utilizando detectores porttiles. Otra solucin consiste en aplicar el trazador a la superficie de un sedimento que se produce de manera natural, o incorporarlo a materias artificiales que se pueden radioactivar por medio de irradiaciones (Tazioli 1981). Para determinar la carga de fondo en rgimen de flujo subcrtico se puede usar la siguiente ecuacin:

Donde,

Medicin de carga en suspensin Criterios para diseo, construccin y funcionamiento de toma-muestras de sedimentos en suspensin: 1. El agua debe entrar en la isocinticamente, es decir, el agua que se acerca a la boquilla no sufre cambio en la velocidad o direccin. 2. La boquilla debe llegar a un punto cercano al lecho del ro, 3 a 7 pulgadas. 3. Dar cabida a una botella estndar, es decir, botella de vidrio de leche (473 ml), botella de vidrio o plstico (1000ml), botella de plstico (2000ml o 3000ml)

Toma de muestras instantneas El principio de la operacin de toma de muestras instantneas es simple. Un recipiente abierto, ya sea en posicin vertical u horizontal, se baja hasta la posicin deseada y captura la muestra. Un tpico muestreador horizontal fue diseado por JAKISCHOFF (1932), est conformado por un tubo, dos placas, un peso y una cuerda. Se suelta el peso de metal y las placas incluyen lamezcla agua-sedimento en el tubo. Figura 14. JAKISCHOFF en ese mismo ao dise un muestreador vertical. FiguraFigura 14. Muestreador instantneo horizontal. Carga en suspensin

Figura 15. Muestreador instantneo vertical. Carga en suspensin

Muestreador integrador de profundidad: Para tener en cuenta las variaciones en la concentracin de sedimentos en diferentes puntos de una corriente, se puede utilizar un muestreador-integrador, es decir, un muestreador que obtiene una muestra nica agrupando pequeas submuestras tomadas en diferentes puntos. En la Figura 16 se ilustra un muestreador tpico, que est constituido por una botella de vidrio metida en una armadura con forma de pez que se monta sobre una varilla cuando se quiere medir la altura de corrientes pequeas o se suspende a un cable para corrientes mayores. Para que la botella se llene fcil y regularmente cuando se encuentra por debajo de la superficie es necesario que disponga de una boca para la entrada del agua, y de un tubo para permitir la salida del aire. La boca se suele disear con una seccin transversal ligeramente ampliada detrs del punto de entrada para reducir el peligro de una presin contraria que podra obstaculizar la entrada de la corriente en la botella. Cuando se est utilizando, el muestreador se desplaza desde la superficie hasta el fondo y vuelve a la superficie recogiendo la muestra en forma continua. Unos pocos ensayos determinarn cunto tiempo hace falta para que la botella se llene durante este doble viaje. Ningn tipo de muestreador de botella debe seguir recibiendo ms lquido una vez que la botella est llena porque eso provoca una acumulacin de sedimento en la botella. En algunos muestreadores-integradores en profundidad la botella se saca del curso de agua cuando se ha llenado o poco antes de que se llene; otros tipos de muestreadoras pueden tener algn dispositivo para detener la entrada de agua una vez que la botella est llena.Figura 16. Muestreador integrador de profundidad.

Muestreador integrador de punto: El muestreador integrador de punto utiliza una vlvula elctricamente activa. Por tramos de un ro de menos de 30 pies de profundidad, la profundidad se puede recorrer en una sola direccin con la apertura de la vlvula y la profundidad de la integracin desde la superficie hacia abajo o viceversa. Este tipo de muestreadores pueden ser usados para recoger una muestra de sedimentos en suspensin en representacin de la concentracin media de sedimento en cualquier punto de la superficie del ro a pocos centmetros del lecho. Este muestreador debe permanecer en un lugar fijo de la corriente y tomar muestras constantemente durante el tiempo que tarda la botella en llenarse. La apertura y el cierre de las vlvulas del muestreador se controlan desde la superficie elctricamente o por medio de cables. Se toman muestras a varias profundidades en cada una de las diversas secciones verticales, para medir la altura de las corrientes por el mtodo del molinete, de manera que las dos operaciones se realizan a menudo simultneamente. Tambin se pueden emplear muestreadores automticos que toman una muestra a una profundidad predeterminada de la corriente. En la Figura 17 se muestra una botella y dos tubos doblados. Los modelos comerciales utilizan tubos de cobre doblados a propsito, pero se puede utilizar un modelo ms sencillo constituido por un tubo de plstico fijado a un marco rgido para que se mantenga en su sitio. La botella empieza a llenarse cuando la profundidad de la corriente alcanza el punto A y comienza el flujo de sifn a la botella; se para cuando la profundidad de la corriente se eleva al punto B que es la salida de la tubera que expele el aire. La amplitud de la toma de muestras se controla ajustando la distancia entre los puntos A y B. En su variante ms sencilla los tubos de entrada y expulsin estn curvados en forma de U.Figura 17. Muestreador de punto.

En Kenya se utiliz un ingenioso muestreador automtico de fabricacin artesanal, como el que se ilustra en la Figura 18. Se recogen muestras de superficie a travs de un tubo metlico con pequeos agujeros que sobresale aguas arriba para evitar la turbulencia. El tubo lleva el agua hacia un recipiente de medio litro dentro del cual hay una esfera de caucho flexible que flota y cierra hermticamente la botella por dentro cuando est llena. Si es necesario tomar una serie de muestras a medida que la corriente crece, se puede montar un muestreador automtico como se indica en las Figuras 19 y 20. La concentracin del sedimento en suspensin suele ser mayor cuando la corriente est creciendo que cuando desciende.Figura 18. Dispositivo para muestreo simultneo en la superficie de la corriente y en profundidad (de Pereira y Hosegood 1962) Figura 19. Conjunto de muestreadores para la toma progresiva de muestras cuando se produce un aumento del nivel.

Figura 20. Torre para muestreo de sedimentos (diseado a partir de Hydraulics Research 1984)

Muestreador de bombeo: Las muestras se pueden extraer de una corriente por bombeo manual como se indica en la Figura 7. Sin embargo, durante casi 20 aos se ha dispuesto de muestreadores automticos que pueden introducir por bombeo una pequea muestra en una serie de recipientes, en tiempos e intervalos predeterminados o en funcin de condiciones de la corriente predeterminadas, normalmente la profundidad (USDA-ARS 1976). Las ilustraciones de las Fotografas 1 y 2 son dos ejemplos de ello.Figura 21. Muestreador de bombeo manual sostenido por cable (rediseado a partir de Hydraulics Research 1990)

Fotografa 1. Moderno muestreador comercial de bombeo (Rock y Taylor)

Fotografa 2. Componentes del muestreador de bombeo creado por Hydraulics Research Wallingford (Hydraulics Research)

Toma continua de muestras:

Existen dos mtodos para la medicin continua de las concentraciones de sedimentos: Un turbidmetro ptico pasa por un rayo de luz a travs del agua cargada de sedimentos desde una fuente situada a un lado de un canal hasta un sensor situado en el otro lado. El sensor puede medir el grado en que la luz es absorbida por las partculas de sedimento, o sea el principio de atenuacin; tambin se puede medir el grado en que la luz se dispersa por las partculas en suspensin, lo que se denomina el principio de dispersin. Los muestreadores de bombeo, pueden programarse para que reaccionen a combinaciones de profundidad de la corriente y tiempo, y los datos se registran en un dispositivo de slo lectura de memoria (ROM); es posible as almacenar gran cantidad de datos. Se han creado modelos de turbidmetros de buen funcionamiento en Sudfrica (Grobler y Weaver 1981) y en Indonesia (Brabben 1981). En los aforadores nucleares que miden la absorcin de la dispersin de las radiaciones gama en lugar de la luz se utiliza un principio similar. Walling (1988) informa de la utilizacin positiva de esos instrumentos en muchos pases y sugiere que, "sin embargo, los instrumentos son ms complicados que los turbidmetros pticos y se han limitado principalmente a mediciones experimentales especializadas y no a la supervisin de rutina",

Estimacin de la carga total Un canal de medicin de la turbulencia es una estructura construida con obstrucciones en el lecho de la corriente para crear la mxima turbulencia posible antes de que la corriente pase a travs de un vertedero donde se toman muestras. En las corrientes mayores las muestras se pueden tomar en un canal de aforo de turbulencia utilizando un muestreador de ranura. La ranura de toma de muestras es estrecha y tiene los bordes afilados; el agua y el sedimento caen en el muestreador a travs de una tubera o canal que conduce a un recipiente. La ranura no debe ser demasiado pequea para que no quede bloqueada por basura y para que pueda captar partculas ms grandes; por ejemplo, una ranura con un ancho de 5 mm en un vertedero de 5 m de ancho tomar una muestra de un milsimo de la corriente. Si a pesar de ello sigue siendo demasiado grande para ser manejada con facilidad, se podrn utilizar otras subdivisiones, sea un divisor de ranuras o una rueda muestreadora. Entre las dificultades que plantea este mtodo cabe mencionar las siguientes: El divisor de ranuras puede afectar a la corriente en su entrada en la ranura; La ranura puede quedar bloqueada por basuras flotantes; La concentracin del sedimento puede no ser igual a travs del ancho del vertedero;

El arrastre grueso de fondo puede no mezclarse de manera homognea o simplemente no recogerse.

BIBLIOGRAFA EDWARDS y DOUGLAS. Techniques of Water-Resources Investigations of the U. S. Geological Survey. Book 3, Applications of Hydraulics. Chapter C2. Field Methods for Measurement of Fluvial Sediment. USGS Science for a changing world. GRAF, Walter. Hydraulics of Sediment Transport. Mc Graw Hill. United States of America. 1971. RODRGUEZ, Hctor Alfonso. HIDRULICA FLUVIAL. Fundamentos y aplicaciones SOCAVACIN. Ed. Escuela Colombiana de Ingeniera. Bogot, Colombia. 2010 http://www.fao.org/docrep/T0848S/t0848s07.htm#TopOfPage