Hidrologia Transporte de Sedimentos

7/23/2019 Hidrologia Transporte de Sedimentos

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Hidrologa

Transporte de Sedimentos en Ros

Los problemas que se presentan en los diseos de estructuras hidrulicas cuandose necesita evaluar de manera confiable los volmenes de sedimentos que los rostransportan hasta las obras y que a menudo ocasionan fallas en la operacin debocatomas y presas de embalse, en el control de las inundaciones y en lasprotecciones de las mrgenes, se deben a los siguientes factores:

Deficiencia en la informacin cartogrfica e hidrometeorolgica de lascuencas vertientes, y de caudales lquidos y slidos en la mayora de los

ros. Desarrollo an incipiente de los mtodos de medicin de sedimentos y de

aplicacin de frmulas empricas a casos reales. Cambios en las prcticas tradicionales de manejo de la cuenca despus de

construidas las obras.

En los primeros dos casos las cargas totales de transporte de sedimentos que seaplican en el diseo de las obras pueden resultar excesivas o deficientes; en eltercero, el pronstico hecho con base en la informacin histrica resulta irreal.

Por las razones expuestas, para lograr un buen diseo de las obras que van a estarsometidas al efecto de los sedimentos es necesario evaluar, adems de la

informacin histrica existente, la relacin que existe entre la cuenca comoproductora de sedimentos y el ro como conductor de los mismos.

CLASIFICACION DE LOS SEDIMENTOS.

La carga total de sedimentos que transporta una corriente natural es la suma detres componentes que son:

Carga de fondo,Sedimentos en suspensin,

Sedimentos en saltacin.


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PROCESOS EROSIVOS EN LA CUENCA.

La cuenca vertiente contribuye con sedimentos a la carga total de una corrientenatural de dos maneras:

1. Remocin en masa.

Este fenmeno est asociado con deslizamientos de grandes masas de materialslido que se han concentrado en sitios inestables. La inestabilidad es causada porfactores geotcnicos que tienen que ver con las pendientes de los taludes, elmanejo inadecuado del suelo, la tala de rboles y el almacenamiento de agua lluviaen los suelos.

Las masas de material permanecen por algn tiempo en un equilibrio precario enlos sitios inestables, pero basta la presencia de un factor detonante para que seproduzca el deslizamiento. Este factor detonante puede ser un sismo, un perodoprolongado de lluvias intensas o la prdida de soporte en la pata de un talud.

Cuando el deslizamiento se produce directamente sobre una de las mrgenes deuna corriente natural el material deslizado se deposita sobre el lecho obstruyendoel paso libre del agua, pero a medida que pasa el tiempo el mismo flujo de agua seencarga de transportar el material hacia aguas abajo, parte como carga de fondo y


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parte en suspensin. Si los deslizamientos se producen lejos de las corrientes deagua, entonces solamente una parte del material puede llegar a las corrientes porerosin hdrica.

2. Erosin hdrica.

La erosin hdrica se genera cuando las gotas de lluvia que caen sobre un suelotienen suficiente energa para remover partculas del mismo, dejndolas libres paraque puedan ser transportadas por la escorrenta superficial hacia las corrientes dedrenaje.

En la actualidad la magnitud de la erosin hdrica se mide por medio de la Prdidade Suelo. Esta prdida es un ndice medio anual del potencial erosivo de la cuenca;se calcula por medio de frmulas semiempricas y se expresa en milmetros por ao(mm/ao).

Los estudios semiempricos que existen sobre el tema consideran que solamente unpequeo porcentaje de la prdida de suelo llega hasta la corriente de drenaje ypuede entrar a formar parte de la carga en suspensin.

Los factores que actan en la generacin de la prdida de suelo en una cuenca sonlos siguientes:

Lluvia.

Es el agente que inicia el proceso erosivo. La magnitud de su efecto depende de sudistribucin temporal y espacial sobre la cuenca; para cuantificarla es indispensableanalizar las intensidades de lluvias de corta duracin, su frecuencia y el cubrimientosobre el rea de la cuenca.

Morfometra del rea vertiente.

Las caractersticas morfomtricas de la zona potencialmente erosionable son elrea, la longitud de recorrido de la escorrenta y la pendiente del terreno.

Suelo.

Es un factor que incluye la textura y la estructura que tiene suelo en el momento decomenzar las lluvias.

Cobertura vegetal.

Es un factor muy importante en la generacin y transporte de la erosin pluvial,especialmente en el perodo inicial del aguacero. Depende del tipo de cultivo, elsistema de siembra y las prcticas de manejo.

La interaccin entre las variables anteriormente mencionadas ha sido estudiada conmtodos analticos, modelos fsicos y cuencas prototipo.

De estos estudios han resultado criterios generales aplicables a la determinacin deuna prdida media de suelo anual en funcin de la lluvia media anual y la coberturavegetal, o frmulas elaboradas entre las cuales la ms conocida es la FrmulaUniversal de Prdida de Suelo, propuesta por Wischmeier & Smith en 1958 conbase en experiencias realizadas en los Estados Unidos desde 1917.


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Las variables L, S, C y P pueden estimarse con relativamente buena aproximacinutilizando mtodos agrolgicos, pero las otras dos tienen dificultades porquerepresentan caractersticas propias del rgimen pluviomtrico y del tipo de suelo enel rea de estudio en relacin con la energa con que las gotas de lluvia llegan al

suelo y con la resistencia del suelo al golpe de las gotas.

Como dentro de una misma cuenca pueden presentarse regmenes diferentes delluvia, no homogeneidad de los suelos, variaciones en la pendiente, diferencias encobertura vegetal, etc, se hace necesario dividir la cuenca en subcuencas deacuerdo con las circunstancias, calcular la prdida de suelo en cada subcuenca yluego hacer el trnsito del sedimento producido hasta el ro. Esto implica que cadasubcuenca deber calibrarse independientemente de las otras.

Sera ideal que antes de aplicar la frmula a una cuenca determinada se hiciera unacalibracin con trabajo sobre cuencas prototipo. Sin embargo, estos trabajos tienenlimitaciones prcticas tanto por los costos de las instalaciones como por el tiempode operacin que se necesita para llegar a conclusiones adecuadas.

An contando con datos experimentales obtenidos en cuencas prototipo, no esrecomendable hacer generalizaciones para utilizarlos como caractersticos de unaregin porque los factores ms importantes como son la lluvia, el suelo y latopografa varan espacialmente, y las cuencas prototipo son de dimensiones muylimitadas.

Debido a las dificultades que se tienen para determinar con buena aproximacin lasvariables que se incluyen en la Frmula Universal de Prdida de Suelo, losestimativos que se obtienen cuando se aplica la frmula representan solamenteunos ndices que permiten comparar los potenciales erosivos en microcuencas deuna misma regin.

Para la aplicacin de cualquier otra frmula, similar a la frmula universal, debetenerse un cuidado parecido.

CAPACIDAD DE LAS CORRIENTES NATURALES PARA TRANSPORTAR SEDIMENTOS.

Existen dos procedimientos para determinar cual es la capacidad que tienen lascorrientes naturales para transportar los sedimentos de fondo y en suspensin. Uno

es el mtodo analtico por medio de frmulas empricas y otro el de mediciones conaparatos normalizados.

Las frmulas empricas permiten calcular las capacidades mximas de transporte silas corrientes tuvieran suficientes sedimentos disponibles. Tienen muchaslimitaciones porque por lo general las frmulas son desarrolladas en condiciones delaboratorio. Desde el punto de vista analtico las frmulas empricas para clculo decarga de fondo han tenido un desarrollo ms completo que las de sedimentos ensuspensin. Sin embargo, los resultados prcticos siguen siendo inciertos.

Los medidores normalizados de sedimentos en suspensin para realizar aforosslidos son ampliamente utilizados en el mundo y su confiabilidad es adecuada para

obtener informacin aceptable en estudios hidromtricos. No se ha tenido la mismafortuna con los medidores de carga de fondo y por esta razn es de uso corriente


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medir solamente los sedimentos en suspensin y asignar a la carga de fondo unporcentaje de lo que se obtuvo en suspensin.

ANALISIS DE LA CARGA EN SUSPENSION.

Aceptando que la carga en suspensin es alimentada por la erosin pluvial en lacuenca, surge la dificultad de estimar qu volumen de sedimentos transportarealmente el ro en suspensin, y qu ocurre con los sedimentos que el ro noacarrea.

La capacidad de un ro para transportar sedimentos en suspensin depende de lasfuerzas de sustentacin que se generan como componentes verticales de lavelocidad del flujo. La magnitud de estas fuerzas de sustentacin depende de lamagnitud de la velocidad de flujo y, por tanto, del caudal. Mientras la componentevertical que sostiene una partcula de sedimento sea mayor que el peso de esta, lapartcula se mantiene en suspensin; de esta forma, el caudal clasifica laspartculas que el ro puede transportar, tanto en tamao como en nmero.

Cuando se presenta una creciente la capacidad de transporte del ro aumenta, peroel transporte real depende de la duracin de la escorrenta superficial directa, delrea donde se haya producido el aguacero causante de la creciente y de lascaractersticas del sedimento que alcance a llegar hasta el ro. Esto implica que lacarga en suspensin no es funcin nica del caudal sino que depende adems de laerosin pluvial en la cuenca.

A medida que el caudal disminuye en el ro tambin disminuye su capacidad detransporte; esto hace que las partculas que no se pueden sostener en suspensin

se sedimenten. Posteriormente, cuando las velocidades se incrementen poraumento del caudal, parte de estos sedimentos sern puestos en estado desaltacin temporal y algunos de ellos volvern a formar parte de la carga ensuspensin.

Como se aprecia por los anteriores comentarios, la tarea de estimar analticamentela carga de sedimentos en suspensin con una aproximacin razonable no es fcil.

Actualmente, la mejor manera que existe para determinar la carga real ensuspensin consiste en la medicin de esa carga, utilizando medidoresnormalizados. Los procedimientos de toma de datos y procesamiento de los mismostropiezan, sin embargo, con una serie de inconvenientes derivados de las

simplificaciones que deben hacerse para que el mtodo resulte prctico.

Dentro de esas simplificaciones est, por ejemplo, la de suponer que existe unarelacin nica entre los caudales lquido y slido, lo cual es cierto solamente encontadas ocasiones. Los pares de puntos que se obtienen a partir de series deaforos lquidos y slidos simultneos presentan siempre una gran dispersinalrededor de las curvas tericas de ajuste que se calculan por mtodos numricos.Para poder explicar la causa de esa dispersin es necesario tener en cuenta otrasvariables que se derivan de los procesos erosivos en la cuenca y del rgimen detransporte del ro, lo cual implica necesariamente la investigacin, punto por punto,de la procedencia de los caudales slidos medidos.

A pesar de sus deficiencias, el mtodo de medicin directa es el ms aceptado paraestimar la carga en suspensin y para elaborar las curvas de duracin del caudal


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sedimentos que el ro transporta es un factor determinante, resultaninadecuados cuando no se tienen los elementos suficientes para pronosticarel comportamiento de los sedimentos durante la vida til de las obras. Estepronstico incluye factores como el manejo de la cuenca, su influencia sobreel ro, y todos los aspectos que se han tratado someramente en el presentetrabajo.

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