A-034 - Universidad Nacional del Nordeste

Resumen: A-034
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDEST E
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2005
Sedimentología y caracterización físico-química de agua
en el área irrigada de Finca Tolloche, Salta.
1
2
Zunino de Esteve, Florencia - Currie, Héctor M.
LIAG ARGENTINA S.A. Finca Tolloche Ruta Nacional N°16 –Km. 556 TE (03877) 491030-491032
[email protected]; Cátedra de Hidrología Agrícola. Facultad de Ciencias Agrarias – UNNE
Sargento Cabral 2131- (3400) Corrientes TE/FAX 03783 427589 – 427131. [email protected]
Introducción:
Este trabajo fue realizado en el área de influencia de Tolloche, Salta en la Empresa LIAG ARGENTINA S.A.
Regularmente el término sedimentos, involucra en la bibliografía consultada, al material suspendido que está en la
columna de agua y al depositado en el lecho de los ríos, estuarios y cuerpos lacustres. Respecto al sedimento que se
halla en el fondo del cuerpo hídrico analizado, puede que se halle en movimiento (caso de ríos, arroyos y canales) o
relativamente quieto (cuerpos lacustre), en función de la situación y comportamiento de la columna de agua circundante
y régimen hidrológico respectivo.
Los sólidos que ingresan a un curso de agua están sujetos en la columna líquida a los mismos procesos de transporte y
dispersión que los compuestos disueltos, además estos son transportados verticalmente hacia el fondo, debido a la
sedimentación de las partículas y/o material suspendido al que se hallan ligados. Si estos llegan a la interfase agua /
lecho del río, pueden abandonar o no la columna de agua; incidiendo favorable o desfavorablemente en la calidad de
agua de la misma (temporal y/o espacialmente), acorde a las condiciones particulares (hidrológicas y biológicas) del
curso en cuestión y características del sedimento. Respecto a este último, recordamos que los sólidos sedimentables, son
clasificados generalmente en tres categorías: arcillas, limos y arenas, correspondiendo a rangos de tamaño del orden de
los 2 / 3 a 50 / y mayores de 50 u (micrones), respectivamente.
La velocidad de sedimentación aumenta con el tamaño de las partículas, los valores típicos son del orden de 1 m/día, 10
m/día y 100 m/día para las categorías enunciadas. White et al. (1975) señalaron que cada modelo de transporte ha sido
desarrollado de buena fe por reconocidos investigadores, pero a menudo para un rango específico de tamaños de
sedimentos y para condiciones hidráulicas particulares. Los transportes calculados, de sedimentos del lecho, varían
considerablemente de una teoría a otra y no es fácil, por consiguiente, seleccionar cuál método adoptar para una
situación específica. Las características de diversas teorías de transporte han sido evaluadas de diferentes formas.
Las comparaciones se han hecho usualmente graficando, para cierta corriente, tanto las tasas de transporte observadas
como las calculadas contra el caudal de agua, o en forma más universal, los transportes adimensionales de sedimentos
contra los esfuerzos cortantes en el lecho también adimensionales. La American Society of Civil Engineers, ASCE,
(1975), reunió 13 fórmulas para estimar el transporte del material del lecho en condiciones de flujo permanente, sin
incluir la carga de lavado.
Un canal obedece a un diseño con ciertas características hidráulicas y geométricas que difieren de las de un río que no
tiene determinaciones previas sino que obedecen a parámetros de la hidrología, la geomorfología y la hidráulica fluvial.
El caudal de un canal es usualmente constante pero el de los ríos varía en función de los parámetros hidrológicos de la
cuenca. Las crecidas de los ríos pueden modificar tanto el curso del río, como sus secciones transversales
características. Para un río son importantes los caudales infrecuentes pero no extraordinarios, los caudales
extraordinarios y los caudales menores pero duraderos.
Existen dudas sobre si el suministro limitado de sedimentos es consistente con las funciones de transporte de
sedimentos que relacionan la tasa de transporte a las características hidráulicas y a las propiedades del sedimento del
lecho. El transporte es función de tres grupos de propiedades; el material del lecho (distribución de tamaños, densidad,
forma y arreglo del fondo); el flujo que causa el movimiento (caudal, profundidad, forma del canal, velocidad, gradiente
del flujo); y la tasa de transporte de sedimentos (que contempla la distribución de tamaños, carga en suspensión y la
carga de fondo).
Las fórmulas de transporte de sedimentos aplicables a sedimentos gradados se consideran usualmente como predictoras
de transporte correspondientes a caudales y materiales del lecho conocidos. En la práctica, también pueden emplearse
en dirección contraria, para calcular la composición del lecho dados los parámetros característicos del transporte y de
las características hidráulicas. En la práctica, se puede calcular la composición desconocida del lecho a partir de la
información detallada del transporte de sedimentos.
La mayor parte de las ecuaciones de transporte tienen una base hidráulica. Proporcionan la tasa de transporte en función
del exceso de alguna variable del flujo, tal como el esfuerzo cortante, el caudal, o el número de Froude densimétrico,
sobre el valor crítico de la variable para iniciar el movimiento. Estos valores críticos suponen que no hay transporte por
debajo del valor crítico de la variable. Esto no es realista, tomando en cuenta las condiciones estocásticas de la
iniciación del movimiento de las partículas, que en los ríos de montaña presentan un amplio rango de variación. Por
ello, las tasas de transporte medidas de los tamaños de las fracciones en movimiento no es directamente comparable con
la tasa de transporte uniforme del mismo diámetro moviéndose bajo las mismas condiciones del flujo.
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Las variables de un río aluvial se pueden clasificar como variables independientes y variables dependientes, es decir, las
variables de causa y las variables de efecto. Aquéllas que se imponen sobre el río, por cualquier razón, son variables
independientes o variables de control, mientras que las variables resultantes como efecto son variables dependientes.
La velocidad mínima de transporte en canales abiertos estudiada en el presente artículo, es la velocidad media del flujo
de una mezcla de agua y sedimentos naturales, bajo la cual las partículas suspendidas comienzan a caer al fondo del
canal formando un lecho en movimiento deslizante sobre la superficie del fondo, (sliding bed). La velocidad mínima de
transporte, es uno de los parámetros importantes en el diseño de canales abiertos que transportan material sólido
suspendido y no pueden formar depósitos en el fondo; a pesar de su importancia, no existen muchos estudios
satisfactorios para su predicción, limitándose la literatura únicamente a dar valores fijos puntuales de velocidades
mínimas para diseño en alcantarillados, como lo expresa Gómez y Ordóñez (2002); teniendo en cuenta su análisis
teórico, el cual predice que la velocidad mínima de transporte varía considerablemente con la concentración de
partículas sólidas y no existiendo verificación experimental, se lleva a cabo esta investigación. La velocidad mínima de
transporte adquiere su verdadera importancia cuando un canal es usado como sistema de transporte de mezclas con altas
concentraciones de sólidos, como ocurre en la industria de la minería, en cuyos sistemas no se permite depositación del
material transportado.
Dentro de este fenómeno de la depositación, es importante tener en cuenta la velocidad de asentamiento, (Vss), de las
partículas en un medio fluido, es así que para efectos de cálculos teóricos se debe tener en cuenta la teoría expuesta por
Cheng (1971a,b), quien analiza cuidadosamente este fenómeno, llegando a expresiones con buen acuerdo en la
predicción para dicha velocidad. La literatura no reporta ningún tipo de evaluación de la velocidad mínima de
depositación; es de tener en cuenta que esta velocidad es diferente a la velocidad crítica de socavación, en la cual las
partículas estando en reposo en el fondo del canal, comienzan a moverse bajo la acción de la velocidad del flujo y sobre
la cual se han expuesto varias expresiones para su cálculo; en el caso de
flujo de mezclas en canales es de destacar el artículo de Song & Chiew (1998), quienes analizan el efecto que tiene la
carga del lecho en movimiento sobre el factor de fricción para canales abiertos, aun que la ecuación propuesta por estos
autores produce coeficientes muy altos del factor de fricción cuando se incrementa la concentración, nos demuestra que
las partículas en movimiento dentro del fluido, cambian las características de resistencia del flujo de la mezcla aguasólido y el factor de fricción se incrementará.
El fin de este artículo es presentar los resultados de la evaluación experimental llevada a cabo por el autor para
determinar el efecto que tiene la concentración de partículas de sedimentos naturales, (arena), cuando se adicionan a un
flujo de agua, sobre la velocidad mínima de depositación de estas partículas sobre el fondo del canal; para tal efecto se
construyó un montaje de laboratorio de tipo recirculatorio en el cual se midió la variación de la velocidad mínima de
transporte con respecto a la variación de la concentración de arena natural de río. Se comparó estos datos
experimentales con los conceptos teóricos expuestos por Gómez (2002), logrando establecer una ecuación semiempírica
en función del número de Froude Densimétrico, (FLc), la cual permite predecir con un error promedio del 14.17% para
concentraciones de sólidos hasta del 5%.
La correcta comprensión y adecuada cuantificación de los procesos asociados al transporte de sedimentos en suspensión
resulta de vital importancia al momento de diseñar, planificar y ejecutar diversas obras de ingeniería. Dichos procesos
tienen relevancia, por ejemplo, en problemas de sedimentación en embalses, problemas de ingreso de sedimento hacia
captaciones desde cauces naturales, procesos de evolución de morfología estuarina y costera, dragado de puertos, etc.
Conceptualmente, el transporte vertical de sedimento en suspensión se ha tratado tradicionalmente mediante el uso de
un modelo de tipo difusivo, en el cual la turbulencia induce un flujo ascendente del sedimento, desde zonas de alta
concentración cerca del lecho hacia zonas de menor concentración cerca de la superficie libre, el cual es balanceado por
un flujo de depositación debido a la acción de la gravedad. El problema que se presenta en este modelo es cómo estimar
adecuadamente el coeficiente de difusión turbulenta en la vertical. La solución más ampliamente conocida de este
problema fue propuesta por Rouse (1937), quien estimó dicho coeficiente a partir de la viscosidad
turbulenta o viscosidad de remolinos del flujo, utilizando un modelo algebraico para esta última. Si bien se ha
comprobado empíricamente que el modelo de Rouse entrega, para ciertas condiciones, una solución bastante acertada
del perfil de equilibrio de concentración de sedimento en suspensión en un flujo uniforme y permanente (Raudkivi,
1990), es posible afirmar que el modelo algebraico para la viscosidad de remolinos es imperfecto, particularmente en el
caso de gradientes verticales relativamente altos de dicha concentración. En este último caso la difusión turbulenta se ve
afectada por efectos boyantes que tienden a disminuir el flujo másico en la vertical, lo cual conduce a perfiles de
equilibrio de concentración de sedimento en suspensión que son sustancialmente distintos de aquellos predichos por
Rouse.
Objetivo:
Probar que el material en suspensión y coloidal provocaría el eventual deterioro de la eficiencia de los aspersores de los
equipos de avance frontal central.
Material y métodos
Durante la campaña agrícola 2003/2004 se efectuaron (4) muestreos estacionales de agua en canales y represas de riego,
en sitios previamente establecidos: canales de conducción y represa. Los muestreos se efectuaron en Marzo, Julio,
Setiembre y Diciembre, extrayéndose muestras provenientes de estratos superficial y profundo.
En todos los casos se efectuaron determinaciones de Concentración de sólidos suspendidos totales (mg lt-1),
concentración de sólidos sedimentables totales totales (ml l-1) y particulometría de sólidos suspendidos en mg l-1; a cada
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muestra se efectuó además determinaciones de Color, pH; Conductividad Específica, sólidos disueltos totales,
alcalinidad, dureza total, Calcio, Magnesio, Sodio, Potasio, Hierro total, Manganeso, cloruros, sulfatos, Carbonatos,
bicarbonatos, Fluoruros, Nitratos y Arsénico. También parámetros indicadores de aptitud de riego: RAS, PSI y CSR.
Resultados
Identificación de muestras (Promedio de 4 muestreos):
Muestra 1: Canal Maestro de Riego
Muestra 2: Canal Primario de Riego
Muestra 3: Represa Lagunita (Profundo)
Muestra 4 : Represa Lagunita (Superficial)
Tabla N° 1: Concentración de Sólidos suspendidos totales
MN°
Sólidos suspendidos
Sólidos suspendidos Fijos
Sólidos suspendidos
(orgánicos)
(mg L-1)
Volátiles (inorgánicos)
(mg L-1)
(mg L-1)
1
9
<1
7.8
2
9
<1
8.20
3
479
53
426
4
463
74
389
MN°
1
2
3
4
MN°
1
2
3
4
Tabla N° 2: Concentración de Sólidos sedimentables totales ml l-1
Sólidos suspendidos
Sólidos suspendidos Fijos
Sólidos suspendidos
(mg L-1)
(orgánicos)
Volátiles (inorgánicos)
(mg L-1)
(mg L-1)
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
0,70
0,90
1,05
0,70
0,90
0,97
Arena
<1
<1
86
94
Tabla N° 3: Particulometría de sólidos suspendidos
Limo
Arcilla
6,8
1,1
7,0
0,9
360
33
345
24
Tabla N° 4: Parámetros indicadores de aptitud para riego
MN°1
MN°2
MN°3
Relación de absorción sodio (RAS)
2,92
2,73
2,42
Porcentaje de Sodio Intercambiable (PSI)
51
51
46
Carbonato desoído Residual (CSR)
0,6
0,33
0,17
Totales
7,9
7,9
479
463
MN°4
2,03
52
0,12
Las aguas son del tipo C2S1, salinidad media y aptas para riego
Conclusiones
Los canales de riego en los puntos de muestreo realizados no presentan sólidos en suspensión o cuya presencia no es
significativa (6,8 a 7,0 mg lt-1), contrariamente a los encontrado en represa, donde se halló una importante carga de
sólidos, identificados como limos de origen inorgánico, los que se manifiestan como una alta sedimentación en forma
compacta, cuyos valores oscilan entre 360 y 345 mg lt-1. En los canales de salida, se observa una leve carbonatación,
que podría deberse a un origen edáfico. En los canales de acceso a los sistemas mecánicos de riego no se observan
sedimentos o partículas en suspensión significativas. Desde el punto de vista químico las muestras son aptas para riego
(C2-S1, salinidad media) y para el consumo humano, previo tratamiento de potabilización. Las diferencias encontradas
no son significativas al nivel: α=0,05. Los valores encontrados en Represa Lagunita son altos (significativos) pero de
rápida sedimentación.
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