UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO
TRANSPOR TRANSPORTE TE DE SEDIMENTOS PROFESOR MSC.ING. ARBULU RAMOS JOSE CURSO HIDROLOGIA INTEGRANTES CHUNGA ORTIZ OSCAR CRUZ MEDINA JOSE GONZALES SALTUR FUSTAMANTE FUSTAMANTE FUSTAMANTE FUSTAMANTE JHONAT JHONATAN CHICLAYO-PIMENTEL 28/10/2015
INDICE TRANSPORTES DE SEDIMENTOS
1. Intro Introduc ducció ción n 1.1. Definici Definición ón 2. TIPOS TIPOS DE LECHOS LECHOS
2.1. Lecho plano sin transporte transporte de sedimentos 2.2.Lech 2.2. Lecho o rizado 2.3. CONFORMACON D! D"NA# 3. Agente Agentes s de trns!o trns!orte rte de de sedi"en sedi"entos tos 3.1. A$%as #%perficiales 3.2.!l 3.2. !l &iento &iento 3.3. 'rocesos (ra)itacionales #. PROPI PROPIEDA EDADES DES DE DE LOS LOS SEDIM SEDIMENT ENTOS OS #.1.$or" #.2.Dens #.2. Densidd idd #.3. Peso es!ec%&ico #.#. Porosidd 'e(ocidd 'e(ocidd de c%d ). C(si&icc C(si&icción ión de (os sedi"e sedi"entos ntos *.1. Car$a Car$a de fondo fondo *.2. +. #edimentos en en s%spensión s%spensión ).3. +. #edimentos en saltación *.,. +raspor +rasporte te total total *. ESTIMACIO ESTIMACION N DE LA CAR+A CAR+A EN S,SPEN S,SPENSION SION *.1. Muestrs Muestrs to"ds to"ds ( -r -r *.2. Muestredor integrdor de !ro&undidd !ro&undidd *.3. Muestre Muestredor dor de !unto !unto *.#. Muestre Muestredor dor de o"eo o"eo /. MEDICION MEDICIONES ES DIRECT DIRECTA AS /.1. M,ESTREA M,ESTREADOR DOR 0. ESTIMA ESTIMACIO CION N EMPIRIC EMPIRICA A . ESTIMACIO ESTIMACION N DE LA CAR+A CAR+A TOTA TOTAL L 1. CALC,LO DE LOS SEDIMENTOS DEPOSITA DEPOSITADOS DOS EN EMALSES
11. 11. Ecuciones de trns!orte trns!orte de &ondo 11.1. 11.2. 11.3. 11.,. 11.).
M-todo de D% o/s M-todo de Me/er 0 Meter / Mller M-todo de !instein / ron M-todo de Enge(und Crg to tot( en en su sus!ensión
12. Ecuciones de trns!orte trns!orte en sus!ensión 12.1. 12.2.
M-todo de &an Riin M-todo de a$nold
TRANSPORTES DE SEDIMENTOS SEDIMENTOS
1.4Introduccion !n f%nción de la pendiente del c%rso de a$%a4 de s% ca%dal4 / por lo t anto de la )elocidad del fl%o de a$%a4 el fenómeno del depósito de materiales sólidos in)ol%cra materiales de $ran%lometr5a cada )ez m6s fina4 en la medida en 7%e dismin%/en los factores mencionados. Al a%mentar la f%erza tracti)a de la corriente a%menta tam8i-n la parte del transporte sólido 7%e permanece en s%spensión / la 7%e se m%e)e en el fondo del lecho. "n efecto )isi8le de este fenómeno es la )ariación de la $ran%lometr5a del material depositado en el fondo del c%rso de a$%a. !l lecho de los torrentes est6 comp%esto de piedras / cantos rodados de dimensiones importantes4 elementos estos 7%e la f%erza de la corriente no p%ede mo)er4 mientras 7%e los materiales m6s finos han sido transportados a$%as a8ao. Los pro8lemas 7%e se presentan en los dise9os de estr%ct%ras hidr6%licas c%ando se necesita e)al%ar de manera confia8le los )ol:menes de sedimentos 7%e los r5os transportan hasta las o8ras / 7%e a men%do ocasionan fallas en la operación de 8ocatomas / presas de em8alse4 en el control de las in%ndaciones / en las protecciones de las m6r$enes4 se de8en a los si$%ientes factores; < Deficiencia en la información carto$r6fica de las c%encas )ertientes4 / de ca%dales l57%idos / sólidos en la ma/or5a de los r5os. < Desarrollo a:n incipiente de los m-todos de medición de sedimentos / de aplicación de fórm%las emp5ricas a casos reales. < Cam8ios en las pr6cticas tradicionales de maneo de la c%enca desp%-s de constr%idas las o8ras.
1.1. De&inición Los sedimentos 7%e transporta %na corriente de a$%a son consec%encia nat%ral de la de$radación del s%elo4 p%esto 7%e el material procedente de la erosión lle$a a las corrientes a tra)-s de tri8%tarios menores4 por la capacidad 7%e tiene la corriente de a$%a para transportar sólidos4 tam8i-n por mo)imientos en masa4 o sea4 desprendimientos4 deslizamientos / otros. ! transporte de sedimentos est6 li$ado con la hidrodin6mica de los canales a8iertos. La introd%cción de part5c%las dentro del fl%o altera el comportamiento hidr6%lico. #e p%ede decir 7%e los sedimentos 7%e forman el lecho p%eden adoptar m%chas formas entre las 7%e se p%eden mencionar las d%nas4 las rizad%ras o s%perficies planas =Fi$%ra 1>? esto depende del proceso de transporte. !l est%dio de los tipos de fondo es importante por s% papel en la r%$osidad del lecho4 transporte de sedimentos4 par6metros de fl%o4 soca)ación / sedimentación.
2. TIPOS DE LECHOS Lecho plano sin transporte de sedimentos #e caracteriza principalmente por la poca resistencia al fl%o / de a7%5 el poco transporte de sedimentos. !s propio de lechos 7%e soportan poco ca%dal. Lecho rizado !st6 caracterizado por ond%laciones 7%e resaltan por encima del ni)el del lecho4 llamados rizos4 los c%ales son pe7%e9as formas con %na pendiente alta4 a$%as a8ao / s%a)e en la parte a$%as arri8a4 el espaciamiento / la $eometr5a est6n dados a1 azar para %n caso indi)id%al4 pero son %niformes en sentido estad5stico. CONFORMACON D! D"NA# Las d%nas son formas trian$%lares4 pero de ma/or lon$it%d / alt%ra 7%e los rizos4 s%s dimensiones p%eden ser del orden de @.@ a 2B m. para la alt%ra / de @. a 1.@@@ m. de lar$o =Las d%nas m6s $randes son llamadas 8ancos>. La resistencia al fl%o se presenta 86sicamente4 por el fenómeno de separación en la capa del fl%ido entre dos d%nas4 creando zonas de contra fl%o.
3. Agentes de trns!orte de sedi"entos
1. A$%as s%perficiales !l con%nto de materiales 7%e transporta %n rio se llama car$a. La car$a m6ima es la capacidad de %n rio. #i la car$a es inferior a la capacidad el rio erosiona. #i la car$a es ma/or a la capacidad en el rio se prod%ce sedimentación. Depositando primero los materiales m6s $randes.
2. !l &iento !l )iento transporta materiales finos por s%spensión / los de tama9o medio por saltación. #elecciona el tama9o de los materiales.
3. 'rocesos (ra)itacionales
Los desplazamientos se realizan directamente por acción de la $ra)edad. #on los desprendimientos4 deslizamientos / coladas de 8arro.
#. PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS Las caracter5sticas 7%e definen los procesos de s%spensión4 transporte / depositación del sedimento dependen no sólo de las condiciones del fl%o sino tam8i-n de las propiedades del sedimento4 como son; Tamaño. La propiedad m6s importante de %na part5c%la de sedimento es s% tama9o por lo c%al4 ha sido la :nica propiedad 7%e caracteriza los sedimentos. #olamente si la forma4 densidad / distri8%ción $ran%lom-trica son semeantes en diferentes sistemas hidr6%licos4 se p%diese considerar 7%e la )ariación de s% tama9o define la )ariación del comportamiento del sedimento. Forma. !s %na caracter5stica 7%e determina el modo de mo)imiento de la part5c%la =$rano de forma aplanada4 en el lecho4 dif5cilmente se m%e)e por rotación4 pero s5 se desplazan f6cilmente o4 e)ent%almente p%eden saltar> Normalmente se define a tra)-s de la redondez4 esfericidad / elfactor de forma. Densidad .
Es la relación entre la masa que !see una art"cula # su $!lumen. La %ra$e&a& esec"'ca( γ s( se &e'ne c!m! la relación entre la &ensi&a& &e la art"cula sóli&a y la &ensi&a& &el a%ua a ) %ra&!s cent"%ra&!s. La ma#!r"a &e l!s se&iment!s &e l!s r"!s s!n cuar*!s ! +el&esat!s cu#a %ra$e&a& esec"'ca es ,.-/ sin em0ar%!( γ s $ar"a &es&e 1.2 a 1.34 ara la ie&ra óme* 5asta 3.- ara la %alena. Peso específico. !s la relación entre el peso de la part5c%la / s% )ol%men. !s i$%al al prod%cto de la densidad por la aceleración de la $ra)edad. Porosidad n; #e define como la relación entre el )ol%men de )ac5os / el )ol%men de $ranos o )ol%men de sedimentos.
Velocidad de caída, w ; !s la )elocidad l5mite 7%e ad7%iere la part5c%la c%ando cae en a$%a destilada4 en reposo4 de etensión infinita a %na temperat%ra constante de 2, $rados cent5$rados.
La f%erza de arrastre so8re %na esfera en reposo4 sometida a la acción de %n fl%o %niforme con )elocidad se epresa mediante la si$%iente ec%ación;
6D 7 CD 8 9 Π D, :;)< 9 ρ =, :;,
#e$:n s% comportamiento4 al ser transportado por el fl%o4 el sedimento se p%ede diferenciar en tres $randes $r%pos; el de arrastre de fondo o car$a de fondo4 en s%spensión o car$a en s%spensión / el de saltación.
). C(si&icción de (os sedi"entos
*.1. Car$a de fondo o Arrstre de &ondo !l arrastre de fondo es la forma m6s a$resi)a de transporte de materiales en los r5os4 est6 relacionada con la eistencia de esf%erzos tan$enciales m%/ s%periores al cr5tico o de resistencia de los materiales del fondo.
!l arrastre de fondo es el material 7%e forma el fondo del ca%ce / 7%e es arrastrado por la corriente dentro de %na capa ad/acente al fondo / c%/o espesor es i$%al a dos )eces el di6metro de la part5c%la considerada !ste tipo de material est6 constit%ido por part5c%las de ma/or tama9o4 7%e r%eda o se desliza siempre en contacto con el fondo.
*.2. #edimentos en s%spensión #i el material del fondo es fino o la corriente tiene %na )elocidad alta 7%e $enera %na f%erte t%r8%lencia4 la corriente tiene s%ficiente poder para le)antar las part5c%las del fondo / mantenerlas en s%spensión. +am8i-n p%eden mantenerse part5c%las en s%spensión 7%e proceden de a$%as arri8a / ellas reci8en el nom8re de $asto de la)ado. +am8ien est6 constit%ido por part5c%las m%/ finas / se halla distri8%ido en toda la sección trans)ersal4 dando color al a$%a. #5 se dea caer %n $rano de arena en %n estan7%e tran7%ilo4 se asentar6 hacia el fondo a %na )elocidad siempre creciente hasta 7%e la fricción del a$%a so8re el $rano e7%ili8re este $rado de incremento? desp%-s se asentar6 el $rano a %na )elocidad constante4 7%e es s% )elocidad de ca5da. #i se introd%ce %na f%erza 7%e i$%ale o eceda esta )elocidad4 se lo$ra mantenerlo en s%spensión.
*.3 +ransporte por saltación Mo)imiento en el 7%e las part5c%las se m%e)en a$%as a8ao dando re8otes o saltos4 a )eces tocando el fondo / a )eces a)anzando en s%spensión hasta 7%e )%el)en a caer al fondo. !ste tipo de transporte se da para arenas $r%esas / $%iarros de pe7%e9as dimensiones. !s caracter5stica de lechos fl%)iales de alta r%$osidad 7%e trae consi$o %na ma/or t%r8%lencia del ca%ce. !n este caso el material sólido alterna 8re)es
periodos de transporte rodando en el fondo con 8re)es saltos en s%spensión. Los tiempos en 7%e el material p%ede mantenerse en s%spensión son f%nción de la )elocidad del a$%a / de la presencia de remolinos. !n sit%aciones de a)enidas importantes4 8ancos de arena / $ra)a enteros p%eden cam8iar de l%$ar en %n per5odo relati)amente corto4 pocos d5as.
*., +ransporte total !st6 formado por todas las part5c%las 7%e son transportadas por el r5o4 procedan del fondo4 de transporte en s%spensión / transporte en saltación. =Anónimo4 2@@>
T T =T F + T S + T SA
Dónde;
T T
; +ransporte de solido total4 en E$hora o +ona9o
T F
; +ransporte de solido en el fondo.
T S
; +ransporte de sólidos en s%spensión.
T SA
; +ransporte de solidos por saltación.
*. Esti"ción de ( crg en sus!ensión *.1 Muestrs to"ds ( -r "n est%dio de di)ersas t-cnicas de m%estreo en #%d6frica p%so de manifiesto 7%e las m%estras o8tenidas con 8otellas s%mer$idas s%elen dar concentraciones
aproimadamente del 2*G inferior a las 7%e se o8tienen con t-cnicas m6s perfeccionadas =H8i8lioI>. 'ara m%estras :nicas tomadas eca)ando con palas o c%charas4 se recomienda %na prof%ndidad de 3@@ mm por de8ao de la s%perficie como %na fórm%la meor 7%e la de o8tener m%estras en la s%perficie. #i la m%estra se p%ede tomar a c%al7%ier prof%ndidad4 se recomienda la mitad de la prof%ndidad del ca%dal dado 7%e es la 7%e permite o8tener los meores c6lc%los de la concentración media de sedimentos. C%ando el pro$rama de m%estreo consiste en m%estras o8tenidas en secciones )erticales en di)ersos p%ntos a tra)-s de la corriente4 el es7%ema recomendado consiste en %tilizar seis secciones sit%adas a i$%al distancia como se m%estra en la Fi$%ra.
*.2 Muestredor integrdor de !ro&undidd 'ara tener en c%enta las )ariaciones en la concentración de sedimentos en diferentes p%ntos de %na corriente4 se p%ede %tilizar %n m%estreadorJinte$rador4 es decir4 %n m%estreador 7%e o8tiene %na m%estra :nica a$r%pando pe7%e9as s%8m%estras tomadas en diferentes p%ntos. !n la Fi$%ra 3 se il%stra %n m%estrador t5pico4 7%e est6 constit%ido por %na 8otella de )idrio metida en %na armad%ra con forma de pez 7%e se monta so8re %na )arilla c%ando se 7%iere medir la alt%ra de corrientes pe7%e9as o se s%spende a %n ca8le para corrientes ma/ores. 'ara 7%e la 8otella se llene f6cil / re$%larmente c%ando se enc%entra por de8ao de la s%perficie es necesario 7%e dispon$a de %na 8oca para la entrada del a$%a4 / de %n t%8o para permitir la salida del aire. La 8oca se s%ele dise9ar con %na sección trans)ersal li$eramente ampliada detr6s del p%nto de entrada para red%cir el peli$ro de %na presión contraria 7%e podr5a o8stac%lizar la entrada de la corriente en la 8otella. C%ando se est6 %tilizando4 el m%estreador se desplaza desde la s%perficie hasta el fondo / )%el)e a la s%perficie reco$iendo la m%estra en forma contin%a. "nos pocos ensa/os determinar6n c%6nto tiempo hace falta para 7%e la 8otella se llene d%rante este do8le )iae. Nin$:n tipo de m%estreador de 8otella de8e se$%ir reci8iendo m6s l57%ido %na )ez 7%e la 8otella est6 llena por7%e eso pro)oca %na ac%m%lación de sedimento en la 8otella. !n al$%nos m%estreadoresJinte$radores en prof%ndidad la 8otella se saca del c%rso de a$%a c%ando se ha llenado o poco antes de 7%e se llene? otros tipos de m%estreadoras p%eden tener al$:n dispositi)o para detener la entrada de a$%a %na )ez 7%e la 8otella est6 llena.
Muestredor integrdor de !ro&undidd
*.3 Muestredor de !unto Otro m-todo para o8tener m%estras a di)ersas prof%ndidades del c%rso de a$%a es el empleo de m%estreadores a%tom6ticos 7%e toman %na m%estra a %na prof%ndidad predeterminada de la corriente. "n eemplo t5pico es el 7%e est6 representado en la Fi$%ra ,@4 %tilizando %na 8otella / dos t%8os do8lados. Los modelos comerciales %tilizan t%8os de co8re do8lados a propósito4 pero se p%ede %tilizar %n modelo m6s sencillo constit%ido por %n t%8o de pl6stico fiado a %n marco r5$ido para 7%e se manten$a en s% sitio. La 8otella empieza a llenarse c%ando la prof%ndidad de la corriente alcanza el p%nto A / comienza el fl%o de sifón a la 8otella? se para c%ando la prof%ndidad de la corriente se ele)a al p%nto 7%e es la salida de la t%8er5a 7%e epele el aire. La amplit%d de la toma de m%estras se controla a%stando la distancia entre los p%ntos A / . !n s% )ariante m6s sencilla los t%8os de entrada / ep%lsión est6n c%r)ados en forma de "? esto si$nifica 7%e la corriente en el m%estreador est6 en 6n$%lo recto con el c%rso de a$%a4 lo c%al p%ede o8stac%lizar la concentración de sedimentos.
%n modelo m6s perfeccionado tiene dos t%8os con %na se$%nda c%r)a para diri$ir las a$%as arri8a hacia la corriente4 como en la Fi$%ra
*.# Muestredor de o"eo Las m%estras se p%eden etraer de %na corriente por 8om8eo man%al como se indica en la Fi$%ra ,,. #in em8ar$o4 d%rante casi 2@ a9os se ha disp%esto de m%estreadores a%tom6ticos 7%e p%eden introd%cir por 8om8eo %na pe7%e9a m%estra en %na serie de recipientes4 en tiempos e inter)alos predeterminados o en f%nción de condiciones de la
corriente predeterminadas4 normalmente la prof%ndidad ="#DAJAR# 1B>. nicialmente estos dispositi)os sol5an ser $randes / pesados / pod5an da9arse en s%s n%merosos componentes el-ctricos o mec6nicos. No o8stante4 la electrónica ha dado ori$en a %na n%e)a $eneración de m%estreadores a%tom6ticos 7%e son de menor tama9o4 m6s confia8les / económicos. Las il%straciones de las Foto$raf5as 32 / 33 son dos eemplos de ello. Los pro$ramadores / cronometradores modernos conectados a %na des)iación de la corriente o a %n transd%ctor de presión en la corriente permiten %na )ariedad casi infinita de pro$ramas de toma de m%estras. #on posi8les desni)eles de aspiración de hasta seis metros4 por lo 7%e el m%estreador p%ede colocarse por encima del ni)el de la corriente.
/. Mediciones directs La forma m6s sencilla de calc%lar el arrastre de fondo consiste en ca)ar %n a$%ero en el lecho de la corriente como en la Fi$%ra ,* / en retirar / pesar el material 7%e cae en -l. La c%enca a$%as arri8a de %n )ertedero o canal de aforo p%ede act%ar
an6lo$amente como %na trampa de sedimentos4 pero es posi8le 7%e no se sepa si se ha reco$ido todo el arrastre de fondo. !n los l%$ares con $randes car$as de arrastre4 este procedimiento p%ede necesitar m%cho tiempo / res%ltar en$orroso.
/.1 Muestredor !l c6lc%lo del arrastre de fondo se p%ede efect%ar a partir de m%estras reco$idas por %n dispositi)o 7%e est6 sit%ado por de8ao del lecho de la corriente d%rante %n tiempo determinado / 7%e l%e$o son etra5das para pesarlas. #e han %tilizado n%merosos dispositi)os / s% )ariedad dem%estra la dific%ltad 7%e eiste para tomar %na m%estra eacta / representati)a. Los pro8lemas 7%e plantean los m%estreadores del arrastre de fondo son; • !l m%estreador pert%r8a la corriente / modifica las condiciones hidr6%licas en s%
p%nto de entrada. • !l m%estreador tiene 7%e descansar en el lecho de la corriente / tiende a h%ndirse en
-l al prod%cirse %na soca)ación en torno s%/o. • 'ara mantenerse esta8le en el fondo tiene 7%e ser pesado4 lo 7%e dific%lta s% %so
c%ando se lo 8aa desde p%entes o desde torres constr%idas con ese fin. • "n m%estreador tiene 7%e reposar so8re %n lecho razona8lemente liso / no estar
apo/ado encima de piedras o cantos rodados.
La
forma m6s sencilla es %na cesta de alam8re con %na aleta esta8ilizadora como se il%stra en la Fi$%ra ,. !l material 7%e toma este modelo es red%cido por7%e interfiere con la corriente / cierta cantidad de materia cada )ez ma/or a medida 7%e la cesta se llena4 se des)5a en torno al m%estreador. !sto se p%ede descri8ir diciendo 7%e la contrapresión red%ce la corriente en el m%estreador4 lo c%al transmite %na ima$en clara sin entrar a analizar la mec6nica de la corriente fl%ida
0. Esti"ción e"!%ric La dific%ltad de o8tener mediciones confia8les del arrastre de fondo ha dado moti)o a al$%nos intentos de calc%larlo a partir de par6metros m6s f6cilmente medi8les? sin em8ar$o4 s% %so no est6 dif%ndido. "n m-todo sencillo 8asado en el conocimiento de la concentración de los sedimentos en s%spensión4 de la tet%ra de la materia en s%spensión / de la materia del fondo se indica en el C%adro 1@. !instein =1*@> ela8oró %n m-todo complicado 7%e posteriormente se ha modificado / meorado. !isten m%chas otras fórm%las teóricas / s% precisión / confia8ilidad son disc%ti8les.
. !stimación de la car$a total "n m-todo para e)itar c6lc%los separados de la car$a de s%spensión / del arrastre de fondo consiste en mezclar todo el sedimento en mo)imiento / tomar %na :nica m%estra de la mezcla. "n canal de medición de la t%r8%lencia es %na estr%ct%ra constr%ida e profeso con o8str%cciones en el lecho de la corriente para crear la m6ima t%r8%lencia posi8le antes de 7%e la corriente pase a tra)-s de %n )ertedero donde se toman m%estras. !l mismo efecto se p%ede conse$%ir con %n m%ro de rocas en el lecho de la corriente o c%ando el ca%dal pasa a tra)-s de %na apert%ra red%cida como %n p%ente o %na alcantarilla. !l material arrastrado de ma/or tama9o se asentar6 en el lecho r6pidamente por lo 7%e la m%estra se de8e tomar sin demora con %n recipiente 7%e se llena con la mezcla. !n las corrientes ma/ores las m%estras se p%eden tomar en %n canal de aforo de t%r8%lencia %tilizando %n m%estreador de ran%ra como se m%estra en la Fi$%ra ,K =arnes / ohnson 1*>. ron4 ansen / Champa$ne =1B@> descri8en %na aplicación de este m-todo. La ran%ra de toma de m%estras es estrecha / tiene los 8ordes afilados? el a$%a / el sedimento caen en el m%estreador a tra)-s de %na t%8er5a o canal 7%e cond%ce a %n recipiente. La ran%ra no de8e ser demasiado pe7%e9a para 7%e no 7%ede 8lo7%eada por 8as%ra / para 7%e p%eda captar part5c%las m6s $randes? por eemplo4 %na ran%ra con %n ancho de * mm en %n )ertedero de * m de ancho tomar6 %na m%estra de %n mil-simo de la corriente. #i a pesar de ello si$%e siendo demasiado $rande para ser maneada con facilidad4 se podr6n %tilizar otras s%8di)isiones4 sea %n di)isor de ran%ras o %na r%eda m%estreadora tal como se descri8e en el Cap5t%lo 3. !ntre las dific%ltades 7%e plantea este m-todo ca8e mencionar las si$%ientes; el di)isor de ran%ras p%ede afectar a la corriente en s% entrada en la ran%ra? la ran%ra p%ede 7%edar 8lo7%eada por 8as%ras flotantes? la concentración del sedimento p%ede no ser i$%al a tra)-s del ancho del )ertedero?
el arrastre $r%eso de fondo p%ede no mezclarse de manera homo$-nea o simplemente no reco$erse. A escala m%cho menor4 en A%stralia eiste %n dispositi)o 7%e toma %na m%estra de la car$a total en canales m%/ pe7%e9os como s%rcos o s%rcos pe7%e9os en tierras c%lti)adas %tilizando %n pe7%e9o recipiente de pl6stico como se m%estra en la Foto$raf5a 3*. 'ara e)itar pro8lemas de entrada se aplica %na aspiración red%cida.
1.
C5(cu(o de (os sedi"entos de!ositdos en e"(ses
La medición de la cantidad total de sedimentos depositados en pozas o em8alses e)ita la c%estión de la relación de distri8%ción de los mismos pero4 a menos 7%e el em8alse sea lo s%ficientemente $rande como para contener la totalidad de la escorrent5a4 parte del sedimento pasar6 por encima del ali)iadero del em8alse. La proporción de sedimentos reco$ida se denomina eficiencia de capt%ra / depende de; • la dimensión de la trampa en comparación con la cantidad del ca%dal de entrada4 es
decir la proporción del ca%dal 7%e se reco$e en el em8alse4 / • la )elocidad de la corriente a tra)-s del em8alse 7%e4 com8inada con la dimensión
de las part5c%las del material en s%spensión4 determina el tiempo 7%e falta para 7%e el sedimento se asiente en el em8alse. La eficiencia de captación p%ede calc%larse a partir de la Fi$%ra , =r%9e 1*3>. !s necesario realizar le)antamientos topo$r6ficos de las c%encas de los em8alses nat%rales o artificiales4 precisos / a inter)alos4 para calc%lar la ac%m%lación. !n %n em8alse 7%e se seca totalmente de %n le)antamiento topo$r6fico esto es relati)amente sencillo. C%ando el em8alse est6 parcialmente in%ndado4 el le)antamiento de8e realizarse desde 8otes / el ni)el de los sedimentos se p%ede determinar por medio de %n sondeo de control o de %na sonda ac:stica. !s asimismo necesario tomar m%estras / determinar la densidad del sedimento para calc%lar el peso de la medición a partir del )ol%men. La sit%ación ideal es lle)ar a ca8o el le)antamiento %na )ez 7%e el em8alse se ha/a terminado / antes de 7%e empiece a llenarse? los em8alses eistentes se p%eden %tilizar para comparar le)antamientos topo$r6ficos s%cesi)os a lo lar$o del tiempo.
!n todos los casos es s%mamente con)eniente esta8lecer %na l5nea de referencia permanente para 7%e en le)antamientos s%cesi)os se %tilicen las mismas secciones trans)ersales. "n 8%en eemplo de esta t-cnica es el tra8ao de Rapp en +anzania =1BB>. Act%almente se dispone de pro$ramas de inform6tica para calc%lar el )ol%men almacenado a partir de la relación del 6rea s%perficial con la prof%ndidad del a$%a =a lo 7%e se desi$na con el nom8re de c%r)a ni)els%perficie>? el peso total del sedimento se p%ede calc%lar a partir de s% )ol%men / densidad.
11. Ecuciones de trns!orte de &ondo !ntre los m-todos para e)al%ar el arrastre dentro de la capa de fondo4 c%/o espesor =aproimado es i$%al a dos )eces el di6metro de las part5c%las4 se enc%entran se$:n Maza A.4 . A. / (arc5a F.4 M. =1>4 los prop%estos por; D%o/s =1KB> / #tra%8 =13*>? #choPlitsch =11,4 1*@>? #hields =13>? Me/erJ'eter / Mller =1,K>? EalinsPe =1,B>? Le)i =1,K>? !instein =1,2> / !insteinJron =1*@>? #ato4 EiPPaa / Ashida =1*K>? Rottner =1*>? (arde / Al8ertson =11>? FrilinP =12>? Qalin =13>? 'ernecPer / &ollmer =1*>? n$lis / Lace/ =lK> / o$ardi =1B,>. A contin%ación se presentan al$%nos de los m-todos de antes mencionados;
11.1.
M6todo de D, O7S
!s la fórm%la m6s anti$%a 7%e se conoce para el c6lc%lo del $asto sólido de fondo. F%e p%8licada en 1KB por D" OQ#4 7%ien partió de la s%posición de considerar 7%e el transporte de fondo se prod%c5a por medio de capas c%/o espesor era del mismo orden de ma$nit%d 7%e el di6metro de las part5c%las constit%/entes del lecho. Consideró tam8i-n 7%e las distri8%ciones )erticales de )elocidades / del corte eran lineales. =A$%irre 4 2@@@> D" OQ# introd%o el concepto de f%erza tracti)a cr5tica. La ec%ación 7%e o8t%)o f%e;
T F = χ τ 0 ( τ 0− τ c )
Dónde;
T F
; +ransporte solido de fondo por %nidad de ancho en
Kg / s / m χ ; 'ar6metro 7%e depende del di6metro de las part5c%las.
Los )alores de
χ
τ 0
; f%erza tracti)a de la corriente en Kg / m
τ c
; f%erza tracti)a critica en
/ de
τ c
Kg / m
2
2
f%eron o8tenidos por #+RA"4 en 13*4 para arena
con $ran%lometr5a %niforme a partir de las mediciones de (L!R+ / aparecen en la Fi$%ra N 3. Respecto a esta fórm%la eisten al$%nas cr5ticas. La fórm%la de D" OQ# no se %sa en la act%alidad? la mencionamos por s% )alor histórico / teórico.
Figura N° 3: curvas para la aplicación de la fórmula de DU BOYS
11.2.
M6todo de Me8er 9 Meter 8 M:((er
Las fórm%las de Me/er J 'eter / Mller para calc%lar el arrastre en la capa de fondo4 f%eron o8tenidas a partir de eperiencias realizadas de 132 a 1,K en el nstit%to +ecnoló$ico Federal de S%rich. "n res%men de todas ellas f%e presentado en 1,K. Los a%tores mencionados efect%aron c%atro series de pr%e8as4 al final de las c%ales prop%sieron %na fórm%la para cada %na4 a%n7%e la :ltima4 a8arca todos los res%ltados o8tenidos / por tanto4 es de car6cter $eneral4 por lo 7%e es la 7%e se incl%/e en este teto. (arc5a F.4 M. / Maza A.4 . A. =1>.
T F =8 γ s g
/
1 2
S F =8 g
'
n=
D 90
/
1 6
26
R n=
2 /3
S V
/
1 2
∆ D m
/
1 2
/
3 2
/
1 2
[( )
/
3 2
∆ D m
n ' n
τ ¿− 0.047
[( ) n ' n
]
/
3 2
/
3 2
( Kg / s . m )
]
/
3 2
/
3 2
τ ¿ −0.047
( m /s. m) 3
1/ 2
∆=
τ ¿ =
γ s− γ γ RS ∆ Dm
'ara canales m%/ anchos4 I ,@ m4 se tiene;
τ ¿ =
hS ∆ Dm
Dónde;
T F
; +ransporte %nitario de lecho en el fondo o car$a de fondo
epresado en peso.
S F
; +ransporte %nitario de lecho en el fondo o car$a de fondo
epresado en )ol%men.
D m
; Di6metro represantati)o.
g ; Aceleración de8ido a la f%erza de $ra)edad '
n ; R%$osidad de8ida a las part5c%las de sedimento en fondo plano
n ; Coeficiente de r%$osidad de Mannin$.
∆ ; Densidad relati)a de las part5c%las s%mer$idas. γ s
; 'eso espec5fico del sedimento.
γ ; 'eso espec5fico del a$%a. τ ¿ ; 'ar6metro de #hields.
Rngo de (os dtos 8 (%"ites de !(icción M5nimo +ama9o de las part5c%las =D / Dm> "niformes / no %niformes en m 'esos espec5ficos4 en
Kg / m
ntermedio
@.@@@,
M6imo @.@3@
3
12*@
pendientes +irantes4 en m
2K@
,2@@
@.@@@, @.@1
@.@2@ 1.2@
@.@@2
,
3
(astos l57%idos4 en
11.3.
m /s
M6todo de Einstein 8 ro;n
La ec%ación de !instein / ron es %na ec%ación 7%e f%e o8tenida en !stados "nidos4 c%/a epresión de forma m6s epl5cita p%ede escri8irse como;
√ ( ) [(
T F = g
ρ s− ρ ρ
D
3
40
γ R h S f γ s −γ ) D
3
]
Dónde;
Rh
; Radio idr6%lico.
ρ s
; Densidad del sedimento.
ρ ; Densidad del a$%a. S ; 'endiente del ca%ce. 11.#.
M6todo de Enge(und
La fórm%la de !n$el%nd prop%esta para ca%ces arenosos es; #i @.1*H
D 50
T F =
0.04
3 /2
γ s ( R H S ) 1 /2
g
2
U
2
∆ D35
¿
Re =
v x D50 υ
≥ 12
¿
v=
√
τ 0 ρ
Dónde;
Rh
; Radio idr6%lico.
ρ s
; Densidad del sedimento.
U ; &elocidad del r5o. v
¿
; &elocidad de corte.
υ ; &iscosidad cinem6tica en
11.*.
2
m /s
Car$a total en s%spensión
La car$a total en s%spensión =car$a en s%spensión m6s car$a de la)ado> se define como el )ol%men de sólidos por %nidad de tiempo 7%e cr%za %na sección trans)ersal del ca%ce / c%/o peso es soportado por las f%erzas 7%e el fl%ido eerce so8re -l. La importancia de este modo de transporte radica en 7%e4 c%antitati)amente4 el )ol%men total transportado en s%spensión $eneralmente es m%cho ma/or 7%e la car$a de fondo. Concept%almente la car$a total en s%spensión se p%ede determinar mediante la si$%iente epresión; y
S S =∫ U! "y a
SS
Dónde; ; Car$a total en s%spensión en )ol%men4 por %nidad de
ancho.
U ; &elocidad media temporal en f%nción de la prof%ndidad. ! ; Concentración media temporal en f%nción de la prof%ndidad
a ; 'rof%ndidad a partir se define la car$a total en s%spensión. y 0
; 'rof%ndidad del fl%o.
12. Ecuciones !r esti"r ( crg en sus!ensión o trns!orte en sus!ensión
'ara estimar el transporte o car$a en s%spensión eisten dos alternati)as; i> 'or medición directa de la concentración de sedimentos en el r5o / aplicando la ec%ación anterior4 descontando la car$a de la)ado. ii> mediante el empleo de metodolo$5as espec5ficas4 tales como4 las prop%estas por !instein =1*@>4 &an Rin =1K,>4 etc. =Castillo L4 2@@@>
12.1.
M6todo de <n Ri=in >10#?
La car$a en s%spensión es calc%lada por el res%ltado del prod%cto4 inte$rado en la prof%ndidad4 de la concentración local / la )elocidad de fl%o. !l m-todo est6 8asado en el c6lc%lo de %na concentración de referencia relati)a al transporte de fondo. !ste m-todo se compro8ó contra datos de campo / datos de la8oratorio con las caracter5sticas si$%ientes;
> > >
&elocidad media T @., 0 2., ms. 'rof%ndidad de fl%o T @.1 0 1B m. Di6metro medio T @.1 0 @., mm La car$a en s%spensión se calc%la se$:n la
epresión;
T s= FVh! a o
Factor de forma F:
( a / h ) # $ −( a / h )
1.2
F =
o
( )( a 1− h
# $
− # $ )
1.2
'ar6metro relati)o a la s%spensión S;
&s % = '( )¿ o
'ar6metro modificado relati)o a la s%spensión SU;
o
Concentración de referencia
o
Ni)el de referencia a
% $ = % +*
ca
1.5
c a=
0.015 " 50 T 0.3
a D¿
a = 0.5 ∆ a = K s cna m+n=0.01 h
o
+ama9o representati)o de la part5c%la de sedimento en s%spensión
"s
" s =[ 1+ 0.011 ( , s−1 )( T −25 ) ] "50
o
Factor '
' =1 + 2
o
* =2.5
( )( ) &s )¿
0.8
ca c0
0.4
Factor
( )
*
- s )¿
2
Dónde;
F ; Factor de forma. V ; &elocidad media =ms>. )¿ ; &elocidad de corte =ms>. ca
; Concentración de referencia.
h ; 'rof%ndidad de fl%o =m>. D ¿ ; 'ar6metro relati)o al tama9o de la part5c%la. a ; Ni)el de referencia =m> % ; 'ar6metro relati)o a la s%spensión. % $ ; 'ar6metro relati)o a la s%spensión. ' ; Relación entre los coeficientes de mezcla de a$%a / sedimentos * ; Corrección de la estratificación. ( ; Constante de &on Earman.
, s " 50
; Des)iación $eom-trica est6ndar. ; Di6metro medio =m>.
"s
; +ama9o representati)o de la part5c%la en s%spensión =m>.
&s
; &elocidad de ca5da =ms>.
T ; 'ar6metro adimensional de esf%erzo cortante del lecho en eceso.
∆ ; Alt%ra de forma del lecho =m>.
K s
12.2.
; R%$osidad e7%i)alente en =m>.
M6todo de gno(d >1**?
!l m-todo de a$nold est6 8asado en el concepto de 8alance de ener$5a4 relacionando la car$a s%spendida con el tra8ao hecho por el fl%ido. La car$a s%spendida por %nidad de 6rea es soportada por los esf%erzos del fl%ido
, =( ρs − ρ ) g V s cs
3
por %nidad de 6rea
V s
4 donde
es el )ol%men solido de la car$a en s%spensión
2
(m / m )
. !l tra8ao re7%erido es;
- . =( ρ s− ρ ) g V s & s cs'
!l )ol%men de car$a en s%spensión es definido como
S /s=V s )´
4 l%e$o;
- . =( ρ s− ρ ) g S /s
&s cs' )´
!l tra8ao efect%ado por %nidad de tiempo / ancho por la componente lon$it%dinal de la f%erza $ra)itacional 7%e mantiene el fl%ido en mo)imiento es
τ / ´)
. 'arte de esta
ener$5a est6 disponi8le para el transporte de la car$a en s%spensión4 teniendo;
- a 0 1= e s ( 1− e/ ) τ / ´)
Dónde;
)´ ; &elocidad promedio en la prof%ndidad =ms>. 2
( 1 / m )
τ /
; !sf%erzo cortante de fondo
es
; Factor de eficiencia relati)o a la car$a en s%spensión =@.@1 a
@.@2>.
e/
; Factor de eficiencia relati)o a la car$a de f ondo
[email protected] a @.2>.
La car$a en s%spensión por %nidad de tiempo / ancho es mo)ida so8re la dirección lon$it%dinal a %na distancia i$%al a
)´ . !l tra8ao efect%ado por la componente
$ra)itacional lon$it%dinal d%rante el periodo de la %nidad de tiempo es;
- a 0 2= ( ρ s− ρ ) V s ´)sen =( ρ s − ρ ) S /s sen !sta ener$5a est6 completamente disponi8le para el transporte de la car$a en s%spensión. La tasa de transporte de car$a s%spendida ahora p%ede ser deri)ada del 8alance de ener$5a;
- . =- a 0 1+ - a0 2 #e o8tiene finalmente la car$a en s%spensión;
S /s=
e s ( 1− e/ ) τ / ´)
( ρs − ρ ) gcs [(& s / )´ )−2an ]
Dónde;
S /s
; +ransporte en )ol%men de la car$a en s%spensión por %nidad 3
( m / s −m )
de ancho
&s
.
; &elocidad de ca5da del sedimento =ms>.
)´ ; &elocidad promedio en prof%ndidad =ms>. τ /
; !sf%erzo cortante total de fondo de8ido a la corriente 2
( 1 / m )
.
2an' ; 'endiente del fondo.
ρ s
3
; Densidad del sedimento
ρ ; Densidad del fl%ido
( Kg / m )
.
3
( Kg / m )
.
g ; (ra)edad = m / s 2 ¿ . ' ; An$%lo 7%e forma el fondo con la horizontal =>.
13. Conc(usiones@
•
Del an6lisis del tema tratado en el presente tra8ao se desprenden las si$%ientes concl%siones;
•
!iste %na relación estrecha entre la car$a real de sedimentos 7%e %n r5o transporta a s% paso por %na sección determinada / la prod%cción de material de arrastre en la c%enca por procesos de erosión pl%)ial / de remoción en masa. !sta relación est6 en f%nción de %na serie de factores entre los c%ales se incl%/en las )aria8les meteoroló$icas4 caracter5sticas de la c%enca / capacidad de transporte del r5o. !stas )aria8les4 a s% )ez4 dependen del tiempo.
•
La car$a potencial de sedimentos 7%e la c%enca prod%ce por erosión pl%)ial se mide por medio del factor denominado '-rdida de s%elo. La aplicación de ec%aciones emp5ricas para calc%lar o estimar la p-rdida de s%elo en %n per5odo dado no prod%ce res%ltados precisos4 pero permite determinar 5ndices para comparar los potenciales erosi)os en c%encas de la misma re$ión.
•
No eiste %na relación :nica entre ca%dal sólido en s%spensión / ca%dal l57%ido por7%e eisten otros factores 7%e de8en tenerse en c%enta como son la distri8%ción espacial de las ll%)ias4 la localización de zonas potencialmente erosiona8les en la c%enca / la capacidad de transporte del r5o.
• A:n simplificando el tratamiento de los procesos 7%e se c%mplen en la
c%enca / en el r5o4 es e)idente 7%e solamente la aplicación de modelos matem6ticos complicados o de modelos f5sicos podr5a a/%dar a determinar de %na manera aproimada la car$a real de transporte de sedimentos en f%nción de la capacidad de transporte del r5o / del a8astecimiento potencial de sedimentos por parte de la c%enca. •
Los r5os poseen %na capacidad nat%ral de transporte de sedimentos. C%al7%ier o8ra 7%e los afecte modificar6 tam8i-n s% capacidad de transporte lo c%al ind%cir6 cam8ios en los procesos de sedimentación / erosión 7%e oc%rren en el tramo de infl%encia de la o8ra.
•
la acción de los sedimentos 7%e el r5o transporta es %n factor determinante4 res%ltan inadec%ados c%ando no se tienen los elementos s%ficientes para pronosticar el comportamiento de los sedimentos d%rante la )ida :til de las o8ras. !ste pronóstico incl%/e factores como el maneo de la c%enca4 s% infl%encia so8re el r5o4 / todos los aspectos 7%e se han tratado someramente en el presente tra8ao.
1,.
i8lio$raf5a
• http;artemisa.%nica%ca.ed%.coVhd%lica+W+RAN#'OR+!W#!D
M!N+O#.pdf • http;.fao.or$docrept@K,Kst@K,
[email protected]
• http;fl%idos.eia.ed%.cohidra%licaartic%losesinteresantestransp
ortesedimentostranspoertesedimentos.html • http;.$%nt.dedonload
[email protected]
