Este artículo se publica con la intención de compartir una recopilación estudiantil que necesariamente está sujeta a correcciones ortográficas, gramaticales, de forma  y de contenido.  Por este motivo debe considerarse como material en proceso de elaboración, aún no terminado.


TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

Los grandes desarrollos hidroenergéticos que se programan en el país, así como las estructuras hidráulicas que hay que construir en el inmediato futuro,  exigen una evaluación previa de su factibilidad técnica y económica, dadas las grandes sumas de dinero que hay que invertir en ellas, a más del carácter de endeudamiento externo que estas inversiones conllevan.

Con base en esta exigencia, el análisis del TRANSPORTE DE SEDIMENTOS de los ríos y hoyas hidrológicas, ha adquirido una importancia capital, pues determina la “vida económica de las obras”.

El transporte de sedimentos es un fenómeno complejo que responde a dos funciones, una que representa las características de la hoya y otra las del río; una de las funciones indica la cantidad, naturaleza y propiedades físicas de los materiales disponibles para el transporte, y la otra, la capacidad del sistema hidráulico para hacerlo.

Esta complejidad hace que el problema del transporte de sedimentos sea imposible de resolver por la aplicación simple de la teoría de la mecánica de los fluidos.

La presencia de partículas en el flujo altera el comportamiento hidráulico muchas veces motivado por la presencia de elementos artificiales, como son apoyos de puentes o estructuras hidráulicas, Que hacen que se rompa el equilibrio del flujo.

DEFINICION

Los sedimentos que transporta una corriente de agua son consecuencia natural de la degradación del suelo, puesto que el material procedente de la erosión llega a las corrientes a través de tributarios menores, por la capacidad que tiene la corriente de agua para transportar sólidos, también por movimientos en masa, o sea, desprendimientos, deslizamientos y otros.

En un punto cualquiera del río, el material que viene de aguas arriba puede seguir siendo arrastrado por la corriente y cuando no hay suficiente capacidad de transporte este se acumula dando lugar a los llamados depósitos de sedimentos.

Las corrientes fluviales forman y ajustan sus propios cauces, la carga de sedimentos a transportar y la capacidad de transporte tienden a alcanzar un equilibrio. Cuando un tramo del río consigue el equilibrio, se considera que ha obtenido su perfil de equilibrio. Sin embargo, puede ser aceptable que existan tramos o sectores de un río que hallan alcanzado su equilibrio, aunque estén separados por tramos que no tengan este equilibrio.

EI transporte de sedimentos esta ligado con la hidrodinámica de los canales abiertos. La introducción de partículas dentro del flujo altera el comportamiento hidráulico. Se puede decir que los sedimentos que forman el lecho pueden adoptar muchas formas entre las que se pueden mencionar las dunas, las rizaduras o superficies planas (Figura 1); esto depende del proceso de transporte.

Cuando el esfuerzo de arranque que el agua ejerce sobre el lecho constituido por sedimentos es suficientemente fuerte para remover una capa de partículas, estas no se desprenden indefinidamente sino que pueden adquirir un estado de equilibrio después de ponerse en movimiento algunas capas anteriores. Según R.A. Bagnold las partículas transportadas añaden una fuerza nueva, normal al lecho, que mantiene las partículas del lecho expuestas contra la tracción que se ejerce por la mezcla de agua y sedimentos.

El estudio de los tipos de fondo es importante por su papel en la rugosidad del lecho, transporte de sedimentos, parámetros de flujo, socavación y sedimentación.

wpe32.jpg (13937 bytes)

Figura 1

TIPOS DE LECHOS

Lecho plano sin transporte de sedimentos

Se caracteriza principalmente por la poca resistencia al flujo y de aquí el poco transporte de sedimentos. Es propio de lechos que soportan poco caudal.

Lecho rizado

Está caracterizado por ondulaciones que resaltan por encima del nivel del lecho, llamados rizos, los cuales son pequeñas formas con una pendiente alta, aguas abajo y suave en la parte aguas arriba, el espaciamiento y la geometría están dados a­1 azar para un caso individual, pero son uniformes en sentido estadístico.

CONFORMACION DE DUNAS

Las dunas son formas triangulares, pero de mayor longitud y altura que los rizos, sus dimensiones pueden ser del orden de 0.06 a 27 m. para la altura y de  0.6 a 1.000 m. de largo (Las dunas más grandes son llamadas bancos).

La resistencia al flujo se presenta básicamente, por el fenómeno de separación en la capa del fluido entre dos dunas, creando zonas de contra flujo.

Las diferencias mecánicas entre lechos rizados y lecho de dunas son básicamente las siguientes:

·       La relación profundidad resistencia al flujo es opuesta: En un lecho de rizos a un aumento en la profundidad se produce una disminución en la resistencia al flujo, mientras que en un lecho de dunas se produce un aumento, pero se tiene la condición de que esté formado por arena con D > 0.3 mm.

·       No se forman rizos si la arena es gruesa D > 0.6 mm.

·       La resistencia al flujo en las dunas es dependiente del tamaño del grano, mientras que en los rizos no.

MOVIMIENTO DEL AGUA

El agua puede moverse como consecuencia de una corriente laminar o turbulenta. La corriente laminar se presenta cuando las superficies hacen parte del río, y no existen mezclas entre las capas de agua adyacentes. La corriente turbulenta se presenta cuando el agua se mueve irregularmente formando remolinos, mezclándose las diferentes capas de agua. El movimiento del agua turbulento es precisamente el causante de la erosión, la abrasión y el transporte de todos los fragmentos del cauce.

PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS

Las características que definen los procesos de suspensión, transporte y depositación del sedimento dependen no sólo de las condiciones del flujo sino también de las propiedades del sedimento, como son:

Tamaño. La propiedad más importante de una partícula de sedimento es su tamaño por lo cual, ha sido la única propiedad que caracteriza los sedimentos. Solamente si la forma, densidad y distribución granulométrica son semejantes en diferentes sistemas hidráulicos, se pudiese considerar que la variación de su tamaño define la variación del comportamiento del sedimento.

Forma. Es una característica que determina el modo de movimiento de la partícula (grano de forma aplanada, en el lecho, difícilmente se mueve por rotación, pero sí se desplazan fácilmente o, eventualmente pueden saltar) Normalmente se define a través de la redondez, esfericidad y el factor de forma.

Densidad. Es la relación entre la masa que posee una partícula y su volumen. La gravedad específica, gs,  se define como la relación entre la densidad de la partícula sólida y la densidad del agua a 4 grados centígrados. La mayoría de los sedimentos de los ríos son cuarzos o feldespatos cuya gravedad específica es 2.65; sin embargo, gs varía desde 1.35 a 1.70 para la piedra pómez hasta 7.6 para la galena.

Peso específico. Es la relación entre el peso de la partícula y su volumen. Es igual al  producto de la densidad por la aceleración de la gravedad.

Porosidad n: Se define como la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de granos o volumen de sedimentos.

Velocidad de caída, w: Es la velocidad límite que adquiere la partícula cuando cae en agua destilada, en reposo, de extensión infinita a una temperatura constante de 24 grados centígrados.

La fuerza de arrastre sobre una esfera en reposo, sometida a la acción de un flujo uniforme con velocidad w se expresa mediante la siguiente ecuación:

FD = CD x ( P D2 )/4* ( r W2 )/2

        

FORMAS DE TRANSPORTE DEL SEDIMENTO EN UNA CORRIENTE

El lecho de una corriente natural que transporta material, está compuesto por granos sueltos. Las corrientes transportan material en varias formas; siendo la más simple aquella en que las partículas se deslizan o ruedan.

El rodamiento ocurre cuando las partículas están en continuo contacto con el lecho; es por esto, que no tienen una gran importancia. Si el lecho no es uniforme, las partículas generalmente no se mantienen en contacto continuo sino que saltan; la intensidad de los saltos aumenta con los cambios de velocidad de la corriente y la partícula es atrapada por la corriente ascendente; esto puede ser prolongado.

Todos los tipos de movimiento que tienen las partículas se inician cuando las fuerzas de arrastre son mayores que las fuerzas estabilizantes; las fuerzas que tienden a mover o arrastrar los sedimentos son: la presión hidrodinámica, la sustentación y las fuerzas de viscosidad del flujo. Las fuerzas que ofrecen resistencia a la acción de movimiento están relacionadas con: el tamaño del grano y la distribución de los granos que existen en el fondo. Las fuerzas que resisten el movimiento para los sedimentos de mayor tamaño, tales como gravas y arenas es el peso de la partícula mientras que para los finos son las fuerzas cohesivas. Las partículas gruesas tienen un movimiento en forma individual mientras que los finos tienen un movimiento en grupos.

La iniciación del movimiento es un proceso eventual.  Se rige entonces por la probabilidad de que una partícula se mueve bajo la influencia de las corrientes turbulentas, es por esto, que dar una definición exacta de movimiento seria imposible, por lo que en los procesos de arrastre no hay una condición crítica que genere un comienzo brusco, en el momento en que la condición crítica es alcanzada. La representación del movimiento de las partículas  se puede ver en la figura 2.

wpe33.jpg (71735 bytes)
 

Figura 2

CIASIFICACIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS SEGÚN MECANISMO Y SEGÚN ORIGEN

De acuerdo con el mecanismo de transporte pueden ser distinguidas dos formas:

a. Carga de lecho:

Movimiento de partículas en contacto con el lecho, las cuales ruedan, se deslizan o saltan.

b. Carga en suspensión:

Movimiento de partículas en el agua. La tendencia de asentamiento de la partícula es continuamente compensada por la acción difusiva del campo de flujo turbulento.

De acuerdo con el origen del material de transporte, se hace la siguiente distinción:

a.  Transporte de material de fondo:

Este transporte tiene su origen en el lecho. Esto significa que el transporte es determinado por las condiciones del lecho y del caudal (puede consistir en carga de fondo y en carga de suspensión).

b. Carga de lavado:

Transporte de partículas nulo o en muy pequeñas cantidades en el lecho del río. El material es suministrado por fuentes externas (erosión) y no depende directamente de las condiciones locales existentes (puede solamente ser transportado como carga en suspensión; generalmente material fino menor de 50 mm).

MEDIDAS DE CONCENTRACIÓN DE SEDIMENTOS

Muestreadores de sedimentos en suspensión

Estos muestreadores deben tener formas aerodinámicas para causar el mínimo disturbio a la corriente. Deben retener una muestra que, posteriormente, secada en un calcinador de el peso del sedimento retenido. Una vez conocida el volumen de la muestra, se calcula la concentración, por ejemplo en gra­mos por litro. Muestreadores utilizados son el US P—61 y el US Dh-59 (Figura 3).

Muestreadores de sedimento depositado en el lecho de los ríos

Según Linsley no hay ningún muestreador de sedimento de lecho entera­mente satisfactorio. Existe un muestreador que opera por diferencia de presiones. En ese muestreador la entrada de agua consiste inicialmente en un estrechamiento con subsiguiente expansión que causa una disminución de presión y, posteriormente, disminución de velocidad lo cual facilita la retención del sedimento.

wpe34.jpg (18724 bytes)wpe35.jpg (16807 bytes)

Figura 3

Medida de la carga total de sedimento por eliminación del sedimento del lecho

Cuando el sedimento transportado en el lecho y en suspensión sea relativamente fino, un vertedero que cause bastante turbulencia puede ser usado para elevar toda la carga de sedimento del lecho en la corriente. Se mide, entonces, la concentración del sedimento en suspensión aguas arriba y aguas abajo del vertedero. La diferencia, será la medida de la cantidad de sedimento del lecho. Este método es aplicable principalmente a corrientes pequeñas de agua.

COLMATACION DE EMBALSES

Conforme ya fue dicho, la disminución de la velocidad de la corriente en los embalses facilita la decantación de los sedimentos.

Se acostumbra llamar eficiencia de retención del embalse a la relación entre la cantidad de sedimento retenido y la cantidad de sedimento que entra al embalse.

El sedimento depositado en el fondo de los embalses sufre una acción de adensamiento que hace que su volumen disminuya con el tiempo.

Normalmente, para conocer la cantidad de sedimento existente en un embalse y sus variaciones, se hace levantamientos batimétricos periódicos.

Existen importantes fenómenos ligados a la calidad de los sedimentos depositados en los embalses. Los sedimentos biodegradables, en general, causan problemas ligados a la cantidad de oxígeno de las aguas del embalse y tienen conexión con el problema de eutrificación o envejecimiento de los embalses.

EMBALSES COLMATADOS O EN GRAVE PROCESO DE COLMATACIÓN

·       La presa Elephant Butt (EE.UU) embalsa 3.254.000.000 m3 al año, para 76.000 km2  de cuenca se recogen unos 23.000.000 de metros cúbicos de sedimentos, lo que da unos 300 metros cúbicos por kilometro cuadrado y año, y el 7 por 1000 de volumen de agua. En 25 años el embalse creado por esta presa, 3.254 millones de metros cúbicos, ha recogido 510 millones de metros cúbicos de limo, calculándose una vida útil de ochenta años. En el Lago Mead (creado por la presa de Hoover o Boulder Canyon, de 222 metros de altura) en siete años se han sedimentado 1363 millones de Ton. (“El futuro de los embalses de Lago Mead y Elephont Butte”, Stevens, Transaction of A.S.C.E.1946), pensando en este último aumentar su vida crearon embalses aguas arriba.

·       El embalse de troneras en Antioquía (Colombia) se encuentra sobre el río guadalupe entre los rápidos de troneras y la desembocadura de la quebrada la paz. La presa está situada aguas abajo de la desembocadura de la quebrada la herradura.  El embalse controla un área tributaria de aproximadamente 580 Km. cuadrados, siendo su principal afluente el río Guadalupe  y comprende una hoya con graves problemas de erosión, constituyéndose así en la principal fuente de aporte de sedimentos al embalse.  Durante el tiempo de operación de este embalse se han presentado grandes depositaciones de sedimentos. Además de los sedimentos provenientes de los tributarios, existieron en los primeros años de operación del embalse otras fuentes de aportes de sólidos, que contribuyeron a aumentar la cantidad de sedimentos depositados y que tiene este embalse en grave proceso de colmatación. Estas fuentes de sedimentos son:

Túnel Tenche-Troneras, la falta de un control adecuado en la operación del túnel y las excavaciones durante la construcción de la presa de miraflores.

Explotación de minas de Aluvión: La erosión producida por el trabajo de los mineros y las labores de explotación en el área tributaria del embalse, al igual que la erosión y arrastre de sedimentos producida por la lluvia en zonas descubiertas por la explotación de la mina, contribuyeron bastante al aporte de sedimentos al embalse.

La falta de protección de los taludes de las carreteras y en las salidas de las alcantarillas aumentó también la cantidad de sólidos transportados por la lluvia.

·       El 21 de Julio de 1974 se inauguró, en el Valle del Cauca (Colombia), la central hidroeléctrica del alto Anchicayá que, con su capacidad instalada de 340.000 Kilovatios, constituyo en su momento la central de mayor capacidad que se había construido en Colombia.  El proyecto utilizó la escorrentía de una cuenca Hidrográfica de 550 Kilómetros cuadrados. La precipitación promedio anual en la zona es de 4.800 mm. Y el caudal promedio disponible para la producción de energía es de 59.2 metros cúbicos por segundo, incluyendo el aporte da la quebrada Murrapal.

Dos años después de creado el embalse en alto de Anchicayá, se dio inicio a la construcción de vías  en cercanías a este embalse y a sus tributarios.  El mal manejo de los cortes de terreno y la acción de la lluvia hicieron que todos estos sedimentos fueran a parar al embalse y lo colmataran en un tiempo récord de aproximadamente dos años.

TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN LA CUENCA MAGDALENA-CAUCA

Cualquier cambio que se produzca en el lecho de un río, desencadena a su vez, una serie de modificaciones, como por ejemplo, obras de dragado para la navegación, diques, cierre de brazos corte de meandros, etc; para fines prácticos es necesario predecir los cambios que se producirán, hasta alcanzar un estado de equilibrio.

Muy poco es lo que se había estudiado de dichos mecanismos en el río Magdalena. La misión técnica Colombo – Holandesa – MITCH, en 1971, emprendió el estudio de los mecanismos que gobiernan los cambios morfológicos como son: cambios de flujo y en el transporte de sedimentos.

Debido a la importancia  de estos ríos el proyecto cuenca Magdalena – Cauca ha continuado los estudios de manera más intensiva, ampliando la red de mediciones y perfeccionando métodos que permitan conocer mejor el transporte de sedimentos y diversos parámetros de flujo.

El estudio morfológico en el proyecto tiene dos etapas principales:

·       Estudio de los mecanismos de transporte de sedimentos y la calibración de una formula que describa la capacidad de transporte, en función de los parámetros hidráulicos y geométricos.

·       Montaje de modelos morfológicos para predecir los cambios locales mencionados.

REFERENCIAS

·    Posada García Lilian. Transporte de sedimentos. Universidad Nacional de

         Colombia. Medellín; 1994.

·    Moreno Bustamante Alvaro Ignacio. Transporte de sedimentos en corrientes

         Naturales (tesis). Universidad de Medellín. Medellín; 1982.

·    Monsalve.Hidrología en la ingeniería.

·    Uribe Lucelly  y Villarraga Efrain. Sedimentación en embalses. Universidad de

         Medellín (tesis). Medellín. 1983.

·    Anales de ingeniería. Revista No. 783. Tercer trimestre de 1974.

DIRECCIONES DE INTERNET

·    www.fao.org/docrep/T0848S/t0848s07.htm (RECOMENDADA)

·    www.ideam.gov.co/web/historia/hidro/sedim.htm

·    calvin.ocfis.furg.br/~roberto/tg/node1.html

John Freddy Hincapié

cerebro94@hotmail.com


___