CAPITULO 12 CURSO DE HIDROLOGIA

PROF. MANUEL MALDONADO DONGOUNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFACULTAD DE CIENCIAS SOCIALESESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE GEOGRAFIA

CAP. 12 SEDIMENTACION12.1 El proceso de erosin. Factores que controlan la erosin, transporte de material en suspensin.12.2 Transporte de material de lecho. Mediciones de transporte de sedimentos. Curvas de calibracin12.3 Produccin de sedimentos en una cuenca sedimentacin en embalses. Problemas

12.1 El proceso de erosin. Factores que controlan la erosin, transporte de material en suspensinLa erosin hdrica es el proceso de sustraccin de masa slida al suelo o a la roca de la superficie llevado a cabo por un flujo de agua que circula por la misma. Aproximadamente el 40% de la superficie agrcola mundial est seriamente degradada por erosin.[1]Es el desgaste de una superficie rocosa o parte del suelo a causa de agua.Se denomina erosin hdrica, a aquella que se produce cuando las partculas del suelo son arrastradas por el agua de lluvia.En la naturaleza este es un fenmeno muy comn que provoca el nivelamiento de las montaas y la formacin de mesetas, llanuras, valles y deltas. Es claro que este caso la erosin es lenta.Pero cuando el hombre con el mal manejo del suelo acelera el proceso, este ya se hace destructivo.

Los factores que influyen en el proceso de la erosin hdrica son:1.- La cantidad e intensidad de la precipitacin pluvialSi bien en general puede decirse que en las zonas de abundantes precipitaciones anuales es ms comn el proceso de erosin hdrica, si la lluvia se distribuye uniformemente en el ao, el peligro de erosin es menor que en una zona de menor precipitacin anual total pero en que las lluvias se concentran con intensidad en determinados perodos.La intensidad o sea la forma en que cae la lluvia es muy importante; por ejemplo una lluvia de 50 mm. cada en dos horas es ms perjudicial que la misma lluvia cada en el transcurso de 24 horas. Esto es debido a que en el primer caso no hay escurrimiento superficial pues el suelo tiene tiempo de absorber (percolar) el agua cada, lo que no ocurre en el otro caso

2.- El declive y la topografa general del terrenoCuanto mayor es la pendiente del terreno, siendo constantes los dems factores, mayor es el grado de erosin. El grado de pendiente se expresa en por ciento. Si decimos que un campo tiene una pendiente del 5 %, ello quiere decir que la diferencia de nivel entre los puntos situados en ambos extremos del campo es de 5 m. por cada 100 de largo del campo. La diferencia de nivel se determina en el campo con un nivel de anteojo, de agua o un teodolito.A mayor pendiente el dao es mayor por la velocidad que adquiere el agua y que le permite arrastrar ms partculas,, Los daos son mayores en las pendientes largas y suaves, pues en ellas el agua arrastra las partculas de una mayor superficie.

3.- El tipo de vegetacinEs decir el tapiz vegetal es sumamente importante pues atena el golpe de las gotas de lluvia sobre el suelo, favoreciendo su penetracin. En realidad es este el factor principal para evitar la erosin por chapoteo de la lluvia. El tipo de vegetacin es muy importante y en general puede decirse que los bosques y los pastoreos son los que mejor atenan y retienen a las gotas, de las cuales si bien solo una parte llega al suelo (60 % ms o menos), esta penetra y filtra bien sin provocar las tan dainas salpicaduras que abren el camino a la erosin.En el caso de cultivos son ms convenientes los bajos como ser los forrajeros y aquellos que cubren ms el suelo, por ejemplo trigo y centeno que los que se hacen en hileras distanciadas como ser el maz, algodn o sorgo. Hay que ponerle un techo al suelo (Stallings

4.- La naturaleza del suelo En el proceso de erosin influye asimismo la textura y la estructura del suelo.En general los suelos arcillosos son mas fcilmente erosionables que los arenosos . Pero si el suelo spero al ser arcillosos , es poroso y de buena estructura , en el caso de los lateriticos , no es tan serio el peligro de la erosin . A mejor estructura y mayor presencia de materia orgnica es menor el proceso de erosin.

En un suelo arenoso es menor el proceso de erosin que en un suelo compactado . Cuando el sub suelo es suelto y arenoso el proceso de erosion es mas grave ya que puede profundizar mucho mas.

Factores que influyen sobre la erosin: La pendiente del terreno: La velocidad del agua es mayor cuanto mayor es la pendiente (mayor fuerza erosiva). La presencia o ausencia de vegetacin: La vegetacin retiene el agua, disminuye su velocidad y mantiene protegido al suelo. Los terrenos sin vegetacin se erosionan fcilmente. La naturaleza de las rocas: Algunas rocas se disgregan con ms facilidad que otras por la accin de las aguas de escorrenta. As, las arcillas y los conglomerados son fcilmente erosionables. Los materiales que transportan las aguas de escorrenta se sedimentan al disminuir la pendiente y la fuerza del agua. Tipo de precipitacin e intensidad

El transporte de sedimentos por un ro puede clasificarse atendiendo a dos criterios: Segn el origen del material. Segn el modo de transporte. Segn el origen del material transportado en la cuenca hidrogrfica del ro. Se entiende que se refiere al origen durante un episodio de lluvias y de crecida fluvial. Evidentemente a largo plazo, todo el material del cauce tiene tambin su origen en la cuenca. El origen en la cuenca significa que simultneamente al transporte de fondo y suspensin con origen en el cauce, la corriente transporta material con origen en la cuenca, material muy fino llamado material de lavado de la cuenca. Este material se transporta siempre en suspensin, por lo que el modo de transporte en suspensin es la suma material de los dos orgenes distintosSegn el modo de transporte, el sedimento puede transportarse en suspensin, sostenido por la turbulencia del flujo, o bien por el fondo, rodando, deslizando o saltando.Una partcula inicialmente puede transportarse a saltos por el fondo cuando se supera el umbral de movimiento, pero si el rio sigue creciendo puede transportarse luego en suspensin. Cuanto mas intensa es la accin de la corriente, mayor es el material de fondo puesto en suspensin y transportado de este modo Esta nocin nos lleva a observar que el transporte de sedimento cuyo origen es el cauce, se reparte entre los dos modos de transporte: en suspensin y de fondo

ESQUEMA DE CLASIFICACION DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

El transporte en suspensin puede representar el 90% o ms de todo el transporte slido de un ro y dentro de l el material de lavado puede ser una parte grandeEste material de lavado, as como su magnitud, est directamente relacionado con la zona por donde fluye el ro, adems de las caractersticas hidrolgicas de la cuenca: la litologa, los suelos, las pendientes, la vegetacin, la precipitacin, la escorrenta, etc. De hecho la prdida de suelo de una cuenca podra cuantificarse mediante el material de lavado transportado por el ro. El ro tan slo sirve de corredor de este transporte. El material transportado en suspensin tiene gran repercusin en la salida o desembocadura de un sistema fluvial: en la formacin de los deltas o la colmatacin de los embalses. El transporte de fondo (el 10% restante quizs) tiene, sin embargo, la mayor repercusin morfolgica sobre el ro mismo, ya que causa sus modificaciones, y por ello es de inters en ingeniera fluvial. El transporte de fondo (y ms exactamente el transporte de material del material del cauce) est ligado a las caractersticas hidrulicas del cauce: anchura, pendiente, granulometra, caudal, etctera.

12.2 Transporte de material de lecho. Mediciones de transporte de sedimentos. Curvas de calibracinCaractersticas de los materiales del lechoEn general la mayora de los ros discurren sobre lechos granulares en los que el material granular fue transportado por el propio ro en el pasado geolgico.Alternativamente puede darse el caso de cauces que discurren sobre lechos cohesivos, pero incluso en estos casos se producen fenmenos erosivos si bien con mayor lentitud.Tambin en estos ros la evolucin habitual es hacia un lecho granular: tras un periodo de erosin importante el lecho puede recuperar su cota de fondo original por los depsitos que deja la corriente, pero ahora como fondo granular.Las dos caractersticas ms importantes del material del cauce, por su influencia en el transporte de sedimentos, son el peso especfico de los materiales y la granulometra de los mismos.

Por lo que respecta al peso especfico, cabe decir que el cuarzo, debido a su gran estabilidad, es el mineral ms frecuente en la composicin de los sedimentos transportados por el agua. Por ello el peso especfico relativo de las arenas es muy similar al del cuarzo s = 2,65 t/m3. Este valor es el que normalmente se emplea en los clculos ya que vara muy poco de unos cauces a otros.Por granulometra se entiende la distribucin de tamaos de las partculas de una muestra. Normalmente se evala tamizando una muestra de material y pesando la fraccin que pasa un tamiz pero es retenida por el siguiente, ms pequeo en tamao. Por ello como tamao se entiende la dimensin decisiva D que hace que una partcula sea retenida o pase por un cedazo. A menudo se denomina a esta dimensin D: dimetro, pues se asume una forma de partcula esfrica o elipsoidal.

Conceptos de erosinSe van a analizar las erosiones generalizadas en el cauce durante las crecidas, y las localizadas en los puentes.Erosiones generalizadasDurante el paso de una crecida se producen erosiones en el cauce del ro -ver figura - que no se aprecian visualmente y que posteriormente a la crecida puede que vuelvan a sedimentarse, dejando el perfil del ro de forma similar al previo. Esto puede inducir a creer que no se producen estas erosiones y hacer las obras de proteccin sin tenerla en cuenta, lo cual puede producir la ruina de dichas obras.Erosiones en el cauce

Fig. Transporte slido de fondo en ros

DIFERENCIAS ENTRE ACARREO Y SUSPENSIN (Quesnel, 1963).Acarreos son de mayor tamao que la suspensin. El dimetro mximo en suspensin depende del grado de turbulencia, vara desde una micra en rgimen laminar hasta gravas de 2 a 30 mm en rgimen de gran turbulencia.El acarreo es esencialmente discontinuo en el espacio y en el tiempo.Para un mismo caudal lquido se pueden dar varios tipos de concentraciones slidas en suspensin, pero un solo caudal de acarreo compatible con la estabilidad del lecho.El acarreo se hace prximo al lecho en cambio la suspensin afecta a toda la altura de la masa de agua.

CARGA DE SEDIMENTOS DEL LECHOMODELOS DE TRANSPORTE Y CALCULO DE CAUDALES SOLIDOSFASE LIQUIDA: CONCEPTOS DEL FLUJO MONOFASICO CON SUPERFICIE LIBREFASE SOLIDA: CARACTERISTICAS DEL MATERIAL CONSTITUTIVO DEL CONTORNOCLASIFICACION DE SEDIMENTOSUMBRALES DE COMIENZO DE ARRASTREMETODOS DE CALCULO DEL TRANSPORTE POR ACARREOB. FLUJOS HIPERCONCENTRADOS Y LAVAS TORRENCIALESCARACTERISTICAS DIFERENCIALES DEL DOMINIO TORRENCIALDELIMITACION Y CLASIFICACION DE LOS FLUJOS TORRENCIALESFORMULAS PARA FLUJOS HIPERCONCENTRADOS DE APLICACIN PRACTICA EN INGENIERIA

FASE LIQUIDA: CONCEPTOS HIDRAULICOSDEL FLUJO MONOFASICO CON SUPERFICIE LIBREEN LA HIDRAULICA CLASICA SE ESTUDIAN DE FORMA AISLADA LA FASE LIQUIDA (AGUA) Y LA FASE SOLIDA (SEDIMENTO

PARAMETROS QUE CARACTERIZAN LA CONDUCCIONPERFIL LONGITUDINAL (PENDIENTE)TRAZADO EN PLANTASECCION TRANSVERSALSeccin transversal, Permetro mojado, Radio hidrulico, Calado, Ancho en superficie libre, Calado medioRUGOSIDAD (taludes y lecho mediante Manning)

FASE SLIDA: CARACTERISTICAS DEL MATERIAL CONSTITUTIVO DEL CONTORNO.El contorno del lecho puede estar formado por:Roca (contorno fijo).Suelo cohesivo (arcillas limos).Suelo incoherente (arenas y gravas).

Los materiales pueden ser cohesivos y no cohesivos

Materiales cohesivos. En los materiales cohesivos la fuerza que evita su movimiento es la cohesin desarrollada entre partculas vecinas (el tamao no se tiene en cuenta). Se debe de estudiar el comportamiento en conjuntoLas arcillas y su composicin qumicaLos enlaces molecularesLos lmites plsticos

Propiedades de los materiales no cohesivosTamaoFormaDensidad/Peso especficoVelocidad de sedimentacin

Tamao de la partculaDimetro nominal. Dimetro de una esfera cuyo volumen sea igual al de la partcula. Se emplea normalmente para tamaos grandes (superiores a las arenas).Dimetro equivalente. Longitud de la malla ms pequea por el que pasa la partcula. En las arenasDimetro de sedimentacin. Dimetro de una esfera del mismo material (igual peso especfico) cuya velocidad de sedimentacin sea idntica a la de la partcula. Para tamiz inferior a 1/16mm (lmite entre arenas, limos y arcillas)

Forma de la partcula.Esfericidad. Es la relacin entre la superficie de una esfera de la misma densidad y volumen que el de la partcula y la superficie de la propia partcula.Redondez. Es la relacin entre el valor medio de irregularidad de la superficie (entrantes y salientes) de la partcula y el radio mximo de la esfera que puede inscribirse en ella.Factores de formaFactor de Corey. El ms utilizado

Densidad.La densidad de los sedimentos es funcin de su composicin; generalmente stos estn formados por cuarzos y feldespatos, por lo que tienen habitualmente una densidad del orden de 2,65t/m3En ros y torrentes vamos a considerar 1200 k/m3 al agua con sedimentos. Pero cuando un rio tiene partculas en suspensin, su peso especfico varia y se puede calcular. Si consideramos:Vm, al volumen de mezcla; Va, al volumen de agua;Vs, al volumen del slidom, peso especfico de la mezcla;s, peso especfico de slidos ya, peso especfico del agua

Velocidad de sedimentacinEs el parmetro mas importante de todos, pues afecta a la capacidad de arrastre del rio y condiciona la forma del lechoSe puede definir como la velocidad de cada ya estabilizada de una partcula de fluidoCuando ocurre esto se tiene:Peso sumergido = Fuerza hidrodinmica

12.3 Produccin de sedimentos en una cuenca sedimentacin en embalses. ProblemasLa produccin de sedimentos sintetiza la compleja interrelacin entre los aspectos geolgico-geomorfolgicos, climticos, biticos y de uso del territorio de una cuenca y a su vez es una de las variables principales que definen la morfodinmica de los cursos colectores. Su conocimiento adquiere alto valor, en tanto permite efectuar diagnsticos y pronsticos del funcionamiento de los sistemas fluviales, tanto en condiciones naturales como intervenidas; sin embargo, su cuantificacin es compleja.La cantidad de sedimentos entregados por una cuenca hidrolgica en la unidad de tiempo se define como produccin de sedimentos. Se considera como produccin de sedimentos al volumen que se transporta hacia los colectores principales

En cuencas montaosas dicha produccin se puede asociar fundamentalmente a dos fuentes, una relacionada a la erosin superficial generalizada del sustrato, y otra a los procesos de remocin en masa en sitios puntuales.La cantidad de sedimentos generados en una determinada cuenca hdrica y, consecuentemente, el grado de erosin de la misma, pueden evaluarse en forma indirecta a travs de relevamientos topo-batimtricos de los vasos de lagos y embalses o mediante la utilizacin de mediciones sistemticas de caudales slidos en los cursos de aguaEn muchas cuencas estos clculos se hacen mediante la existencia de estaciones de aforos slidos, de caracterizaciones granulomtricas del material transportado en suspensin y por arrastre de fondo, y de datos de sedimentacin en espejos de agua.

Resulta necesario entonces utilizar tcnicas de prediccin para determinar rdenes de magnitud de la produccin de sedimentos. En general, las formulaciones analizan la interaccin de factores tales como clima, litologa, cobertura vegetal, uso del suelo y topografa. La valoracin cuantitativa precisa de la produccin de sedimentos, es imposible de asegurar debido a la complejidad del proceso erosivo, a la cantidad de factores que influyen en el mismo y a la escala de los fenmenos actuantes.La metodologa de Gavrilovic (1972, 1988) ha sido empleada en diferentes contextos geolgicos, climticos y de uso del territorio, con resultados en general aceptables. En numerosas cuencas de montaa ha podido ser validada a partir del contraste de los resultados con mediciones de caudales slidos en suspensin y la comparacin de batimetras en embalses

El mtodo de Gavrilovic (1972, 1988), que considera el volumen de sedimentos G (en m3/ao) producido por erosin y transportado a la seccin de cierre de una cuenca, como el producto de la produccin media anual de sedimento por erosin superficial W y el coeficiente de retencin de sedimentos R.La expresin para determinar el volumen promedio anual erosionado de sedimento es:W = T h Z3/2 F (m3/ao)Donde:T = coeficiente de temperatura, que se obtiene de:T = [(t/10) + 0.1]1/2Siendo: t = la temperatura promedio anual (C), h = la precipitacin media anual (mm/ao) yF = la superficie de la cuenca (km).Z = es el coeficiente de erosin, cuya expresin es:

Z = X Y ( + I)1/2 (3)Los valores de los coeficientes:X (entre 0.1 y 1), Y (entre 0.2 y 2) y (entre 0.1 y 1) Son propuestos por el autor de la metodologa representan respectivamente, el grado de proteccin del suelo dado por la vegetacin y la intervencin antrpica, el grado de resistencia a la erosin del suelo considerando sus caractersticas geolitolgicas, y el estado erosivo de la cuenca. I es el gradiente de la pendiente superficial (en %).

Por su parte, el coeficiente R indica la relacin entre el volumen de sedimento que efectivamente pasa por la seccin de cierre de la cuenca y el volumen total de material producido por erosin superficial. La ecuacin para su clculo segn Zemlijc (1971) es la siguiente: R = [O D1/2 (L+Li)]/(L+10) FDonde: O = es el permetro de la cuenca (km),D = la diferencia de nivel media en la cuenca (cota media menos cota mnima, en km), Li = la longitud total de los afluentes fluviales laterales (km), L = la longitud de la cuenca por el talweg del cauce principal (km) y F = la superficie de la cuenca (km).