EVALUACIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN REGIONES SEMIÁRIDAS Luis G. Castillo E.1 Mª Dolores Marín Martín1 Línea prioritaria A. Criterios hidromorfológicos para la recuperación de espacios fluviales degradados (1) Grupo de I+D+i Hidr@m. Departamento de Ingeniería Térmica y Fluidos. Universidad Politécnica de Cartagena. Escuela de Ingeniería Civil, Paseo Alfonso XIII, 52, 30203, Cartagena. e‐mail: [email protected], [email protected] En regiones de morfología abrupta y régimen irregular de precipitaciones, las crecidas suelen presentarse llevando una gran cantidad de transporte de sedimentos. El cambio climático incidirá en que los flujos torrenciales e hiperconcentrados sean cada vez más acusados, lo que obligará a controlarlos para minimizar sus efectos destructivos. Con el fin de poder diseñar sistemas efectivos de control y captación de flujos en regiones semiáridas será necesario, como primer paso, calcular la capacidad de transporte de sedimentos. De acuerdo a los análisis presentados para el caso del barranco de las Angustias (Isla de la Palma) y partiendo de la gran similitud con las cuencas semiáridas de la Región de Murcia, uno de los objetivos del trabajo que el grupo Hidr@m está llevando a cabo es aplicar y contrastar dicha metodología, con el fin de establecer criterios generales de cálculo en estas regiones. Se presentará un avance de los resultados obtenidos en la evaluación del transporte de sedimentos realizado en la Rambla del Mergajón (subcuenca de la Rambla del Albujón sita en el Campo de Cartagena, Murcia), empleando la metodología antes citada. La cuenca del Mergajón ha sido seleccionada por la semejanza que presenta con el barranco de las Angustias, tanto en sus características geomorfológicas, hidrológica e hidráulica. Del análisis de los resultados obtenidos se concluye que: - Las formulaciones que mejores resultado nos ofrecen son las de Einstein-Barbarrosa, 1952, Yang, C. T., 1976 y Yang, S. (K=6), 2005. - Los resultados obtenidos con Smart y Jaeggi (D65), 1983 y Mizuyama y Shimohigashi, 1985, se sitúan por encima del valor medio y dentro de una desviación estándar. Los resultados de Aguirre et al. (D50), 2000, Van Rijn, 1987, Aguirre et al. (Dm), 2000, Ackers White, 1980 y MeyerPeter y Müller, 1948, caen por debajo de la media y dentro de una desviación estándar. - El volumen de transporte de sedimentos total que se obtiene en la rambla del Mergajón es inferior que al obtenido en el barranco de las Angustias, siendo el transporte de fondo muy inferior al de fondo en suspensión. También la proporción entre el transporte de fondo y fondo en suspensión resulta invertido en las dos cuencas, debido fundamentalmente a la diferente distribución granulométrica y además, porque los diámetros característicos en la rambla del Mergajón son más pequeños que en el barranco de las Angustias. Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) EVALUACIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN EVALUACIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN REGIONES SEMIÁRIDAS Luis G. Castillo Elsitdié Mª Dolores Marín Martín Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Metodología Cambio climático Aplicación a cuenca mediterránea Efecto directo + Zonas semiáridas Resultados y análisis Conclusiones Frecuencia e intensidad de precitaciones Cobertura vegetal reducidaerosionable Flujos torrenciales con gran transporte de sedimentos cada vez más frecuentes en zonas semiáridas ¿Porqué el control de estos flujos? Minimizar efectos destructivos Captar caudales incrementando disponibilidad del recurso ¿cómo captar flujos torrenciales? Sistemas presa-embalse Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Aplicación a cuenca mediterránea Metodología Resultados y análisis Conclusiones Para el diseño sistemas de captación se necesita Cálculo de la capacidad del transporte de sedimentos en flujos hiperconcentrados Formulaciones de estimación de coeficientes de resistencia Formulaciones para el cálculo del transporte de sedimentos Limites de aplicación Determinación del caudal dominante Metodología Barranco de las Angustias (Castillo 2000) Zonas semiáridas Validez Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Metodología Aplicación a cuenca mediterránea Resultados y análisis Conclusiones FORMULACIÓN COEFICIENTE DE RESISTENCIA Diversas formulaciones en flujos macrorrugosos basadas en: 12 8 C * U f * U 2.3026 R log a K s • • Keulegan (1938) Prandtl-Von Kárman C* es el coeficiente adimensional de Chézyy U velocidad media del flujo 0 esfuerzo cortante U* velocidad asociada al esfuerzo cortante U * 0 medio 0 RS 0 f factor de fricción de Darcy-Weisbach constante de Von Kármán en agua limpia (≅0.407) a coeficiente de forma (sección transversal del canal) Ks rugosidad id d equivalente i l t d de llos granos d de arena d de Nik Nikuradse d En ríos rectos y material grueso: 12 8 * C * U f U K s n Dn 2.3026 a R R A 5 . 675 log log a 5.657 log An n K D n n s n rugosidad relativa equivalente; Dn= Diámetro nominal Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Metodología Aplicación a cuenca mediterránea Resultados y análisis Conclusiones FORMULACIÓN COEFICIENTE DE RESISTENCIA Formulaciones o u ac o es u utilizadas adas para pa a el e cálculo cá cu o de la a resistencia es s e c a a al flujo ujo e en cauces rugosos de pendiente fuerte Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Resultados y análisis Aplicación a cuenca mediterránea AUTOR Metodología FÓRMULA OBSERVACIONES Conclusiones FORMULACIÓN COEFICIENTE DE RESISTENCIA Limerinos (1970) * C 5.657 logg R / D 3.281; 84 * C 5.657 log R / D 0.990; 50 0.90 R / D 68.55 84 1.90 R / D 177 50 n 0.1129 R 1/ 6 2 log( R / D84 ) 1.160 R= Radio hidráulico total Bathurst * Formulaciones o u ac o es u utilizadas pa e0.3cálculo cá cu a0.resistencia es al flujo ujo e en 4% S 0s 4e % c a a C 5.62adas logd / D para 4; a el R/D o 50 de la (1985) 84 84 calado del flujo cauces rugosos de pendiente d=fuerte Fuentes y Aguirre (1991) * C 5.657 log d / D 50 1.333 0.737 1 /( d / D ) 50 0.001% S 0 6.55% 0.3 d / D 77 50 García Flores (1996) Régimen Supercrítico: * C 5.756 log d / D 3.698; 0.30 d / D 100 84 84 * C 5.756 log R / D 1.559; 0.6 R / D 200 b 50 b 50 Régimen Subcrítico: * C 5.756 log d / D 2.2794; 0.30 d / D 100 84 84 * C 5.756 log R / D 0.2425; 0.6 R / D 200 b 50 b 50 Van Rijn (1987) Jarret (1984) * C 5.75 log(12 R f / 3 D90 ) n 0.39 S 0.38 /( 3.28 R ) 0.16 ; 0.2% S 0.4%; 0.15 m R 2.1m n 0.111d 1/ 6 2 log( d / D ) 1.2849 84 Rb= Radio hidráulico del fondo n 0.111d 1/ 6 2 log( d / D ) 0.7919 84 Rf= radio hidráulico de fondo S= pendiente de fricción; R= radio hidráulico Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Metodología Aplicación a cuenca mediterránea Resultados y análisis Conclusiones FORMULACIÓN TRANSPORTE DE SEDIMENTOS Investigaciones sin obtener una ecuación satisfactoria: complejidad del problema efecto formas del lecho en el transporte de fondo naturaleza estocástica del problema dificultad de verificar las investigaciones de laboratorio en prototipo Avances sustanciales, con expresiones que correlacionan: Parámetro de transporte de sedimentos () qs D 3 2 gΔ Parámetro de flujo () F2 1 U *2 rd gD qs transporte total de fondo (m3/sm) =(s-)/=1.65, s densidad específica del sedimento D tamaño característico del sedimento (m) U* velocidad de corte (m/s) U S0 pendiente longitudinal del fondo. Frd Número de Froude Densimétrico Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Resultados y análisis Aplicación a cuenca mediterránea Metodología Conclusiones FORMULACIÓN TRANSPORTE DE SEDIMENTOS AUTOR Colby (1984) FÓRMULA OBSERVACIONES g BT max 1.13U 3.326 ; g BTmín 0.46U 3.326 0.1mm D50 1mm Meyer- Peter y Müller (1948) (K / K ) s 3/ 2 r Rs I 0.047 s Dm 0.25 s B 2 / 3 1/ 3 g BT / s 2 / 3 ; K r 26 / D190/ 6 ; 2/3 KmK w Ks ; K m 1 / n; K w 1 / n pared 3/ 2 3/ 2 2/3 {K 2d } w ( B 2d ) K m Ackers-White (1990) U=velocidad media del flujo g BT =Transporte unitario total de fondo en peso (kg/ms) g BT =Transporte unitario total de fondo en peso (T/ms) B= ancho (m) d= calado (m) El método se aplica si: D* 1 y F* 8 U n F* g BT s KD35U ( ) ( 1) m U* F* c 2 Si : 1 D 60 : K exp{2.79 Ln ( D ) 0.426( LnD ) 7.967} * * * n 1 0.56 log D* ; F* ( 0.23 / D* ) 0.14; m ( 6.83 / D* ) 1.67 c 1 n 2 1/ 3 n ; D* D35 ( g / ) F (U / gD ){U / 32 log(10 d / D )} * * Si D* 60; n 0; m 1.78; F*c 0.17; K 0.025; g D84 D 16 0 ,5 D D35 si g 3 D D60 si g 3 Engelund (1967) y Hansen Bathurst et al. (1987) g D 2 3 2 1/ 2 0.05 U * ( 50 ) BT s g ( 2.5 S 3/ 2 /[( [( 1) D50 ( gD50 ) (1) ]) q q c qc qc 1.12 * 1.12 0.15 S 0.21S ; D16: qc 1/ 2 3 / 2 1/ 2 3 / 2 g D16 g D50 2.1 13 2 12 R f 0.053 Frd g * 1 ; C 5.75 log ; D* D 2 0.3 *2 * 3 D90 D* C c * Con D50: qc Van Rijn (1987) 1/ 2 Siempre que: Re* U *D50 v 12 ; D 0.15mm; 2 50 g Siendo S pendiente; S= di t q= caudal unitario de agua qc= caudal crítico peso específico aparente adimensional Frd= número de Froude Densimétrico de partículas; cesfuerzo cortante crítico adimensional; C*= coeficiente de Chézy; Rf= radio hidráulico del fondo Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Resultados y análisis Aplicación a cuenca mediterránea Metodología Conclusiones FORMULACIÓN TRANSPORTE DE SEDIMENTOS AUTOR Yang (1976) FÓRMULA g 0.001 U d exp{11.8929 0.153 Ln ( w Dm / ) 0.297 Ln (U * / w) BT 1.78 0.1563 Ln ( w D / ) 0.297 Ln (U / w) Ln (U S / w)} m * Transporte de gravas: g 0.001 U d exp{15.3836 0.633 Ln ( w Dm / ) 4.816 Ln (U * / w) BT 2.784 0.1327 Ln ( w D / ) 0.1228 Ln (U / w) Ln (U S / w U S / w)} m * c 3 12 i B g Bi *i B s gDi ; g BT g B g BS Einstein y Barbarrosa (1952) OBSERVACIONES Transporte de arenas: Si Uc w 1.2 x log( g(10.6 X / )); ( Di / R )); E a / d ; a 2 Di ; z w /(( KU * ) Nota: Integrales se calculan por medio de ábacos. Para una descripción completa ver Simons and Sentürk (1992) y Graf (1984). Mizuyama y Shimohigashi (1985) 20 Aguirre Pe et al. Aguirre-Pe al (2000) S2 2 q 3 gD50 1/ 2 6 Frd 2 ; F rd U / gD cos (tan tan ) ; C * 4 m * C 1.5 S Yang S. (2005) C gt Vh 2 k s 2 o u* u*c s Vh w 8 fb 2 ; k = constante universal=12.5 2 u´* c =velocidad de corte debido a grano; u*c =velocidad crítica de de Shields v 70 2.5 log(U * D / v 0.06 ) Si 70 0.66 U*D U c ; 2.05 w v PE 2.303 log( i S g BSi i B g Bi {PE I1 I 2 }; i BT g BTi i B g Bi {1 PE I1 I 2 } n 2 gBT iBTigBTi; * Y ( x ) ; f (D/ X ),Y f (D65 / ) i1 X 0.77 si / 1.8; X 1.39 si / 1.8; log 10.6 1.025 U*D I1 0.216 I 2 0.216 E 30.2d Z 1 1 (1 E ) Z 1 Z ) 1 y E y 1 1 y Z (1 E ) E y E Z dy Z ln( y ) dy Ks ; K s D65 ; f ( K s / );U gR I S= pendiente; q= caudal unitario de agua; peso específico aparente adimensional Frdd=Froude Densimétrico de partículas; S=pendiente; C*=coeficiente adimensional de Chézy; U=velocidad media de flujo; Dm= diámetro promedio; ángulo inclinación longitudinal de lecho;ángulo fricción interna partículas; fb= factor fricción DarcyWeisbach para radio hidráulico de fondo. C=concentración sedimento total de fondo; g t =transporte total de fondo en peso; h=radio hidráulico o calado; V=velocidad media; tensión ió de d corte en fondo, f d d=diámetro d diá sedimento; di w=velocidad l id d sedimentación partícula; γs=peso específico sedimento; γ=peso específico agua (2) Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Metodología Aplicación a cuenca mediterránea BARRANCO DE LAS ANGUSTIAS Área Caldera de Taburiente =56 km2 Pendiente S=0.0392 Diámetro D50=28 mm Diámetro D85=870 mm Resultados y análisis Conclusiones RAMBLA DEL ALBUJÓN Área R. Mergajón =52 km2 Pendiente S=0.033 Diámetro D50=3.458 mm Diámetro D85=14.710 mm Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Resultados y análisis Aplicación a cuenca mediterránea Metodología Conclusiones P Precipitaciones i it i máximas á i diarias di i BARRANCO DE LAS ANGUSTIAS RAMBLA DEL ALBUJÓN Pd (mm) 400 370 350 344 ANGUSTIAS MERGAJÓN 300 281 257 257 250 201 195 200 176 166 150 118 101 100 92 50 0 1.4 5 10 50 500 1000 Periodo de retorno (años) Caudales líquidos 900 836 701.4 ANGUSTIAS 700 786.2 762 800 MERGAJÓN 600 Ql (m 3/s) Área Caldera de Taburiente =56 km2 500 400 Pendiente S=0.0392 Diámetro D50=28 300 mm 200 Diámetro D85=870100mm Área R. Mergajón =52 km2 Pendiente S=0.033 Diámetro D50=3.458 mm Diámetro D85=14.710 mm 519 422 350 277 229 147.5 121 21.4 0 1.4 5 10 50 500 1000 Periodo de retorno (años) Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Resultados y análisis Aplicación a cuenca mediterránea Metodología Conclusiones P Precipitaciones i it i máximas á i diarias di i BARRANCO DE LAS ANGUSTIAS RAMBLA DEL ALBUJÓN Pd (mm) 400 370 100 350 ANGUSTIAS 90 Curva compuesta-Mergajón MERGAJÓN 300 Granulometria las Angustias281 257 80 257 250 70 176 166 150 118 101 100 50 201 195 200 60 % Pasa 344 92 50 40 0 1.4 30 5 10 50 500 1000 Periodo de retorno (años) 20 0 Caudales líquidos 10 900 0 1000.00 800 836 100.00 ANGUSTIAS 700 786.2 762 10.00 1.00 701.4 0.10 MERGAJÓN 600 Ql (m 3/s) Área Caldera de Taburiente =56 km2 500 400 Pendiente S=0.0392 Diámetro D50=28 300 mm 200 Diámetro D85=870100mm Área R. Mergajón =52 km2 Pendiente S=0.033 Diámetro D50=3.458 mm Diámetro D85=14.710 mm 519 422 350 277 229 147.5 121 0.01 Tamaño Partículas (mm) 21.4 0 1.4 5 10 50 500 1000 Periodo de retorno (años) Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Metodología Resultados y análisis Aplicación a cuenca mediterránea 30 Conclusiones Patrón de LINDE modificado 25 20 Discretización temporal 15’ 15 10 5 0:15 1:15 2:15 3:15 4:15 5:15 6:15 7:15 8:15 9:15 10:15 11:15 12:15 13:15 14:15 15:15 16:15 17:15 18:15 19:15 20:15 21:15 22:15 23:15 0 80% precipitación en 6 horas 20 % restante distribuidas en 18 h Datos de partida para el cálculo de parámetros físicos y número de curva: MDT 4x4 m. m Proyecto Natmur 2008. 2008 Dirección General de Patrimonio Natural y Biodiversidad Región de Murcia Mapas Geológicos 1:50000. Instituto Geominero Usos de suelo del Corine Land Cover Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Resultados y análisis Aplicación a cuenca mediterránea Metodología 30 Mergajón Caudales Conclusiones Patrón de LINDE modificado 900 25 20 Discretización temporal 15’ T1000 700 15 600 10 500 5 400 0 T500 T200 T100 00 T50 T10 T5 T1.4 0:15 1:15 2:15 3:15 4:15 5:15 6:15 7:15 8:15 9:15 10:15 11:15 12:15 13:15 14:15 15:15 16:15 17:15 18:15 19:15 20:15 21:15 22:15 23:15 Ca audal (m3/s) 800 80% precipitación en 6 horas 20 % restante distribuidas en 18 h 300 200 100 Datos de partida para el cálculo de parámetros físicos y número de curva: Usos de suelo del Corine Land Cover Tiempo (h) 11:00 8:30 6:00 3:30 1:00 22:30 20:00 17:30 15:00 Mapas Geológicos 1:50000. Instituto Geominero 12:30 10:00 7:30 5:00 2:30 0:00 MDT 4x4 m. m Proyecto Natmur 2008. 2008 Dirección General de Patrimonio Natural y Biodiversidad Región de Murcia 0 Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Metodología Resultados y análisis Aplicación a cuenca mediterránea Conclusiones Resultados obtenidos para el coeficiente de Manning 0.100 0.090 n_Medio n_Limerinos n_Bathurst (1985) n_Bathurst (2002) n_Van Rijn n_Aguirre&Fuentes (d50) n_García Flores&Maza n_Jarret n_Aguirre&Fuentes (d65) n_Aguirre&Fuentes (dm) Grant (2007) Media +1.5 Desv. Stándar Media - Desv. Stándar Potencial (n_Medio) Coefficiente de Resis stencia de Mann ning "n" 0.080 0.070 0.060 0.050 0.040 0.030 0.020 0.010 0.000 0 100 200 300 400 Caudal (m3/s) 500 600 700 800 Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Metodología Resultados y análisis Aplicación a cuenca mediterránea Conclusiones Resultados obtenidos para el transporte de sedimentos 100.00 Caudal sólido (T/s) 10 00 10.00 1.00 Yang S.Q. (2005)-K=12.5 Yang S.Q. (2005) -K=6 Einstein-Barbarrosa Mizuyama y Shimohigashi Smart y Jaeggi (d65) Yang C.T. Aguirre et. al. (d50) Aguirre et. al. (dm) Van Rijn Akers-White Meyer-Peter & Müller Banda superior Valor medio Banda inferior 0.10 0 100 200 300 400 500 3 Caudal líquido (m /s) 600 700 800 Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Metodología Aplicación a cuenca del Mergajón Resultados y análisis Comparativa Las Angustias - Mergajón 100.00 Caudal sólido (T/s s) 10.00 1.00 Las Angustias: A = 56 km2; S = 0.0392; D84 = 870 mm Mergajón: A = 52 km2; S = 0.033; D84 =14.710 mm 0.10 0 100 200 300 400 500 3 Caudal líquido (m /s) 600 Transporte de fondo 700 800 900 Conclusiones Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) Introducción Resultados y análisis Aplicación a cuenca del Mergajón Metodología Conclusiones Proporción transporte de fondo y fondo en suspensión Transporte de fondo y transporte en suspensión Mergajón-Las Angustias 25 Mergajón - Qs_fondo Mergajón - Qs_total Las Angustias - Qs_fondo Las Angustias - Qs_total 20 Mergajón ajuste Qs_total Megajón ajuste Qs_fondo Las Angustias ajuste Qs_fondo Las Angustias ajuste Qs_total 15 Qs (T/s) T Transporte t de d fondo f d En suspensión 10 5 Transporte de fondo 0 0 100 200 300 400 500 3 Q l (m /s) 600 700 800 900