HIDROLOGIA1) Introducción

El suelo es removido constantemente de la tierra y transportado aguas abajo por los ríos hasta que se deposita finalmente en los lagos, estuarios y océanos. Dado que el agua es uno de los principales agentes de la erosión y el vehículo principal de transporte del material erodado, este proceso es de gran interés para el hidrólogo. El interés principal en hidrología son las tasas de transporte y las tasas de deposición en embalses, puertos y estuarios, así como los medios para controlar la erosión en los sitios donde se produce, tanto para conservar el suelo en su sitio, como para minimizar la acumulación en embalses y puertos.

Los sedimentos juegan un papel importante en el ciclismo elemental en el ambiente acuático, son responsables de transportar una proporción significativa de muchos nutrientes y los contaminantes. La mayoría de sedimento en aguas superficiales se deriva de erosión de la superficie y comprende un componente mineral, proviniendo de la erosión de lecho de roca, y un componente orgánico ascendiendo durante procesos (incluyendo producción biológica y microbiológica y descomposición) que forjan terreno. Un componente orgánico adicional puede agregarse por la actividad biológica dentro del cuerpo de agua.

El sedimento puede ser clasificado tan ingresado o Suspendido. El sedimento depositado se encuentra en la cama de un río o lago. El sedimento suspendido es también llamado materia suspendida, partículas o sólidos suspendidos. Generalmente, el término solidos suspendidos se refieren al mineral, los sólidos orgánicos, mientras que el sedimento suspendido debería estar restringido para la fracción mineral de la carga suspendida de sólidos.

2) Erosión

2.1) El proceso de erosión:

La erosión puede ser analizada comenzando por el despegue de las partículas de suelo debido al impacto de gotas de lluvia. La energía cinética de las gotas puede lanzar las partículas de suelo al aire durante el impacto. En suelos a nivel. Las partículas se dispersan más o menos uniformemente en todas las direcciones, pero en un terreno con pendiente habrá un transporte neto hacia abajo. Si durante el proceso ocurre flujo superficial, las partículas removidas serán incorporadas en el flujo y serán transportadas aún más abajo antes de ser depositadas de nuevo en la superficie. El flujo superficial es predominantemente laminar y en general ni puede despegar partículas de masa de suelo; sin

embargo, si puede mover partículas ya sueltas en la superficie. Los procesos de socavación y flujo superficial son responsables de la erosión en capas de poco espesor, una degradación relativamente uniforme de la superficie del suelo. La erosión de capaz es difícil de detectar a menos que el suelo hayas descendido por debajo de las viejas marcas de nivel en postes de cercas, si ha puesto raíces de árboles al descubierto o si ha dejado pequeños pilares de suelo cubierto capaz de roca o grava.Las gotas de lluvia varían en tamaño de 0.5 a6 mm y la velocidad terminal varia con el diámetro desde 2 a 9 m/s. dado que la energía cinética es proporcional a D3V2, el poder erosivo de las gotas más grandes puede ser 10000 veces mayor que de las más pequeñas. Esto es compatible con el hecho de que unas pocas tormentas fuertes son las causantes de la mayor parte de la erosión en una cuenca. Este efecto es aumentado en razón de que el flujo superficial ocurre con mayor frecuencia durante tormentas de gran intensidad.

Otro factor que ayuda a la erosión es el movimiento de masas de suelo, que puede tomar la forma de un lento movimiento de arrastre, o de un colapso masivo rápido, como un deslizamiento pueden ocurrir directamente sobre un canal natural llevando un volumen considerable de material sedimentario al canal.

2.2) Factores que controlan la erosión

Hay un gran número de factores que controlan la erosión. Los más importantes son: el régimen de lluvias, la cobertura vegetal, el tipo de suelos y la pendiente del terreno, la importancia del régimen de las lluvias ha sido analizada en la sección anterior. Dado el importante papel del impacto de

HIDROLOGIAlas gotas de agua en el proceso de erosión, la vegetación da una protección muy significativa absorbiendo la energía de las gotas que alcanzan el suelo. La vegetación puede también dar protección mecánica contra la erosión en cárcava de suelo, y adicionalmente puede mejorar la capacidad de infiltración del suelo por el aumento en el contenido natural de materia orgánica del mismo. Una mayor infiltración significa menor flujo superficial y menor erosión.Un suelo bien cementado resistirá la erosión causada por el impacto de las gotas de lluvia más fácilmente que un suelto. En general la erosión por impacto de la lluvia aumenta con el contenido de arena de un suelo debido a la perdida de cohesión. La erosión por impacto disminuye con el aumento en el contenido de agregados estables en el agua. Un suelo cuyos granos individuales no tienden a formar agregados será erosionado más fácilmente que uno que se aglutina fácilmente.

3) Transporte de material en suspensión

Los sedimentos se mueven en un cauce natural como sedimento en suspensión en el flujo, o como carga de fondo, que se desliza y rueda a lo largo del lecho del canal. Algunas veces se emplea un tercer término, el de saltación para definir algunos sedimentos que parecen rebotar contra el fondo del canal. Los procesos no son independientes entres si, dado que el material que aparece en un tramo como carga de fondo puede aparecer aguas abajo en suspensión. Otra distinción útil es la de carga de material de lecho, representada por aquellas partículas cuyos tamaños se encuentran normalmente en el lecho del cauce, y carga de lavado( o de legamos), formada por partículas más pequeñas que aquellas que se encuentran normalmente en el lecho del rio. La carga de lavado consiste de los materiales lavados por la lluvia en la superficie de la cuenca y que viajan normalmente a través de sistema sin redepositarse.La velocidad de asentamiento de las partículas en suspensión en agua tranquila esta aproximadamente dada por la ley de Stokes

Donde ρg y ρ son las densidades de las partículas y del flujo respectivamente r es el radio de la partícula µ es la viscosidad absoluta del agua. Esta ecuación, que se supone es adecuada para partículas entre 0.0002 y 0.2mm de diámetro, considera que la viscosidad ofrece la única resistencia a la deposición y que las partículas son rígidas y esféricas, y que su asentamiento no está influenciado por choques con otras partículas.En flujo turbulento, el asentamiento gravitacional de las partículas es contrarrestado por el transporte ascendente de los remolinos turbulentos. Dado que la concentración de las partículas es mayor cerca del fondo, los remolinos

ascendentes transportan más material que los remolinos descendentes. El sistema estará en equilibrio si el asentamiento gravitacional y el transporte turbulento están balanceados y la cantidad de material en suspensión permanece constante.La ecuación general bidimensional de no equilibrio, para el transporte de material en suspensión, es:

Donde cs es la concentración de sedimentos para

un tamaño específico,vs es la velocidad del

asentamiento de dichas partículas, Ɛ es el coeficiente de mezcla turbulenta y x y y son las dimensiones longitudinal y vertical respectivamente. Dada la cantidad de simplificaciones necesaria para obtener resultados de esta ecuación, ninguna de las soluciones obtenidas hasta el momento ofrece mayor valor en su aplicación, a canales naturales. La literatura está llena de estudios analíticos y experimentales sobre el transporte de material en suspensión; la mayoría de los esfuerzos han sido dirigidos hacia la obtención de una función de distribución vertical de la velocidad, permita el cálculo del transporte total de materia en suspensión. Alternativamente, a partir de las concentraciones de muestras en una o dos profundidades diferentes, se podría obtener la carga total de sedimentos por un procedimiento similar al de la medición de velocidades en una sección mediante un correntómetro. Se han obtenido varias funciones, que se adaptan bastante bien a las variaciones observadas de la concentración de sedimentos; sin embargo, estas funciones son aplicables solamente a un rango pequeño de tamaños de partículas al rango de partículas del material del lecho, es posible obtener aproximaciones razonables al transporte de material en suspensión; sin embargo, la componente grande y variable del material lavado impide el cálculo aproximado del transporte total en suspensión. Por esta razón, se han desarrollado métodos para la medición de la carga en suspensión, independientes del conocimiento gradiente vertical de la concentración de sedimentos.

4) Trasporte de material del lecho

Por muchos años, el análisis del transporte de fondo se ha basado en la ecuación clásica de Boys

Donde Gi es la tasa de transporte de fondo por

unidad de ancho del cauce Y es un coeficiente empírico que depende del tamaño de las

HIDROLOGIApartículas de sedimento, w es el peso específico

del agua T 0 es el esfuerzo cortante en el lecho

del rio y T c es la magnitud del esfuerzo cortante

critico al cual se inicia el movimiento. Se han propuesto numerosas variaciones de esta ecuación, todas ellas utilizando el concepto de fuerza tractiva critica para la iniciación del movimiento. Estas aproximaciones ignoran los conceptos más modernos de turbulencia y de capa límite, así como su efecto, sobre las partículas del fondo. La aplicación adecuada de la ecuación radica en la selección del coeficiente Y . La mayoría de los valores conocidos de este parámetro han sido determinados por medio de estudios en canales experimentales.La precisión de los instrumentos utilizados para la medición del transporte de fondo es tan incierta, que la comparación en el terreno de las diferentes fórmulas es muy difícil; por lo tanto, la validez de las formulas es bastante indefinida. Los trabajos más recientes en el análisis del problema del transporte de fondo, han utilizado los conceptos del flujo turbulento y de la variación estadística de las fuerzas en un punto. Un procedimiento utilizado ampliamente es el de Einstein, quien definió el transporte en función de dos parámetros, la intensidad del transporte de fondo expresada como:

Y la intensidad del flujo expresada como:

Donde W es el peso especifico del agua ρs densidad del material del fondo, d diámetro de las partículas, S la pendiente del canal y R radio hidráulico del flujo. La solución empírica de Einstein entre los parámetros Φ y Ψ permite las soluciones de las ecuaciones para obtener Gi. El método se aplica a un rango estrechos de tamaños de partículas y se debe repetir varias veces hasta cubrir la totalidad del rango de tamaños del material del fondo. Son embargo, cuando el rango de tamaños del material no es muy agradable, Einstein sugiere una solución

usando D35, el tamaño de los granos para el cual el 35 por ciento del material del fondo es más fino.

5) Medición del transporte de sedimentos

Las primeras mediciones de sedimentos en suspensión se hicieron por medio de botellas abiertas o trampas complejas para atrapar las partículas, las cuales no cumplieron su cometido de obtener datos adecuados por varias razones. Un buen muestreador debe producir un mínimo de perturbaciones en el flujo, debe evitar errores producidos por las fluctuaciones a corto plazo de las concentraciones y debe dar resultados que puedan relacionarse con las mediciones de velocidad del flujo. Parece que una serie de medidores diseñados en el laboratorio de hidráulica han cumplido estos requisitos. Los medidores consisten en un cuerpo aerodinámico con una botella de vidrio para contener las muestras; un conducto permite la salida del aire a medida que el agua llena la botella y controla la velocidad de entrada de modo que sea aproximadamente igual a la velocidad del flujo local. El extremo de entrada de la botella tiene una boquilla intercambiable que viene en varios tamaños para controlar la tasa a la cual se llena la botella completamente encerrada y están equipados con aletas de cola para mantener el aparato de cabeza al fluido cuando este se halla suspendido por medio de un cable.

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El manejo del medidor requiere su descenso vertical a lo largo de la profundidad del rio a una velocidad constante, hasta alcanzar el fondo, inmediatamente después asciende a la superficie, también a velocidad constante. El resultado es una muestra integrada con la cantidad relativa de material recogida a cada altura en proporción a la velocidad(o al caudal) local. La duración del viaje del medidor está determinada por el tiempo necesario para llenar la botella, y se puede calcular a partir de curvas particulares para cada boquilla, una vez conocida la velocidad de la corriente. Un cierto número de verticales debe ser muestreado a lo largo de cada sección trasversal con el objetivo de determinar la carga total de la sección; de esta manera no existe el problema de si una muestra puntual es o no representativa de la carga total de la sección. Los muestreadores puntuales se utilizan solamente cuando es posible usar los aparatos integradores debido a grandes profundidades o altas velocidades, o cuando se están haciendo mediciones de la distribución de sedimentos en la sección. Debido a la forma de la boquilla los medidores no pueden descender hasta el fondo del rio lo cual puede causar errores bastante grandes en cauces de poca profundidad.

6) Curvas de calibración de sedimentos

Las medidas de transporte de sedimentos, lo mismo que las mediciones de caudal con correntómetro, producen lecturas ocasionalmente de la tasa de transporte. Las curvas de calibración de sedimentos, que relacionan las tasas de transporte en suspensión con los caudales, se utilizan frecuentemente para obtener estimativos de transporte en días para los cuales no se hicieron mediciones. La figura indica claramente que estas relaciones son muy aproximadas; un caudal dado puede causar una tasa de transporte completamente diferente de las otras. La distribución espacial de la precipitación puede ser también una causa de las diferencias ya que las distintas partes de la cuenca tienen diferentes sedimentos y diferentes tasas de producción de los mismos. Las curvas de calibración se deben utilizar con cuidado, y cuando sea posible deben aplicarse solamente a cuencas relativamente pequeñas y homogéneas.

Cuando las curvas se utilizan solo para estimar la producción media anual de sedimentos, los errores tienden a compensarse y la respuesta es razonablemente satisfactoria si existe un registro suficientemente largo.

7) Producción de sedimentos de una cuenca.

La producción anual, el tipo de suelos, el uso de la tierra, la topografía y la existencia de embalses. Generalmente es difícil obtener datos adecuados para análisis completo de todos los factores. Langbein y schumm utilizaron datos de numerosas cuencas para construir la siguiente curva en la que se relaciona la producción media anual de sedimentos por la unidad de área con la precipitación media anual. La tasa de producción máxima ocurre para aproximadamente 305mm de precipitación media anual, dado que en esas condiciones existen poca cobertura vegetal. Con precipitación más intensa, la vegetación prolifera y reduce la erosión, y con lluvias más bajas también ocurre una reducción.

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Para la tasa en suspensión Qs en toneladas,

como una función del caudal medio anual en pies cúbicos por segundo para varios tipos de cobertura vegetal:

Qs=aQn

Los errores esperados de estimación en estas relaciones son del orden de +- 50%. Para cuencas sin registro de sedimentos, las relaciones presentadas anteriormente pueden interpretarse como un orden de magnitud del transporte esperado. Si es posible, estos estimativos deben ser comparados con datos de transporte de cuencas similares en la misma región.

8) Sedimentación en embalses La tasa a la cual se reduce la capacidad de almacenamiento de un embalse debido a la sedimentación depende de la cantidad de sedimentos que entra al embalse, del porcentaje de estas entradas que es atrapado en el embalse, y de la densidad de los sedimentos depositados. La cantidad se sedimentos que entra se puede calcular por cualquiera de los métodos discutidos anteriormente. Si se dispone de datos, por referencia a la producción anual media por unidad de área en cuencas características similares en la

región. La tabla siguiente presenta algunos valores seleccionados de producción de sedimentos. Obtenidos de investigaciones en algunos embalses de los Estados Unidos. Estos datos se obtienen generalmente por levantamientos batimétricos con sondas o con equipo de eco-sonda, y se publican periódicamente.

Comparando la cantidad de sedimentos acumulados en un embalse con estimados de las entradas calculadas en base a mediciones del transporte, Brune obtuvo una relación entre la eficiencia de retención de un embalse, el porcentaje del sedimento que entra, atrapado por el mismo, y la relación entre la capacidad de embalse y el caudal medio anual de agua que entra al embalse. Un embalse con una relación pequeña entre capacidad y caudal afluente tendrá una buena descarga a través de su vertedero de excesos y gran parte del sedimento saldrá con esta agua. Un embalse con una relación alta descargara poca agua a través del vertedero y en consecuencia retendrá la mayoría del sedimento que entra. La siguiente figura se puede utilizar para estimar la fracción del sedimento de entrada, que será retenida en un embalse. A medida que el embalse se llena de sedimentos, la eficiencia de retención disminuye de manera que puede ser necesario realizar el cálculo en intervalos cortos de tiempo, haciendo ajustes necesarios cada vez. Las curvas se aplican a sedimentos en suspensión, y se deben añadir los incrementos de carga de lecho a los datos de suspensión.

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El volumen ocupado por el embalse dependerá del peso específico del material. El peso específico varia con la clase de sedimento y con la edad de los depósitos. Los depósitos más viejos tienen más tiempo para consolidarse y además están bajo una capa pesada de los sedimentos más recientes. Lane y Koelzer encontraron que el

peso específico W t al cabo del tiempo t está

definido por:

W t=W 1+klog(t)

Donde W 1es el peso específico inicial y K es un

coeficiente de consolidación.

Los sedimentos están compuestos por una mezcla de materiales, se debe calcular un peso específico promedio ponderado. La ecuación se aplica a cada incremento anual de acumulación de sedimentos, y el peso promedio de la acumulación total al cabo del tiempo t debe calcularse integrando desde el año 1 hasta el año t. la siguiente tabla presenta los pesos específicos promedio después de 50 años, utilizados por el servicio de conservación de tierras de los Estados Unidos para propósitos generales de diseño.

El volumen bruto de sedimentos se utiliza generalmente al calcular la tasa con que se llena un embalse; sin embargo, parte del agua en los poros del material puede ser recuperada.