Informe OMM/PROMMA No. 122-02

Subdirección General Técnica
Sedimentos
COMISION NACIONAL
DEL AGUA
Coordinación del Programa de
Modernización del Manejo del Agua
Estrategia para la Medición de
Sedimento en México y su Uso en
Ingeniería Fluvial
• Seminario sobre Sedimentos y el Uso de Datos
Material gráfico de acuerdo cn el tema
Informe No.
No. 122-02
122-02
Informe
México, noviembre
noviembre de
de 2002
2002
México,
Organización Meteorológica
Mundial
COMISIÓN NACIONAL
DEL AGUA
SUBDIRECCIÓN GENERAL TÉCNICA
Coordinación del Programa de
Modernización del Manejo del Agua
Estrategia para la Medición de Sedimento en
México y su Uso en Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y el uso de
datos impartido en Cuernavaca, Morelos
INFORME OMM/PROMMA No. 122 – 02
Organización Meteorológica Mundial
Consultor: Jean Peters (Bélgica)
Organización Meteorológica
Mundial
Noviembre 2002
COMISIÓN NACIONAL DEL AGUA
LIC. CRISTÓBAL JAIME JÁQUEZ
Director General
ING. JOSÉ ANTONIO RODRÍGUEZ TIRADO
Coordinador de Asesores
LIC. MARIO ALFONSO CANTÚ SUÁREZ
Subdirector General de Administración del Agua
ING. JESÚS CAMPOS LÓPEZ
Subdirector General de Construcción
ING. CÉSAR O. RAMOS VÁLDES
Subdirector General de Operación
DR. FELIPE I. ARREGUÍN CORTÉS
Subdirector General Técnico
ING. CÉSAR HERRERA TOLEDO
Subdirector General de Programación
ING. CÉSAR L. COLL CARABIAS
Subdirector General de Administración
ING. SANTIAGO PINZÓN LIZÁRRAGA
Jefe de la Unidad de Programas Rurales y Participación Social
ING. GUSTAVO E. CAZORLA CASTRO
Contralor Interno
LIC. BLANCA ALICIA MENDOZA VERA
Gerente de Unidad Jurídica
DR. VENANCIO TRUEBA LÓPEZ
Coordinador del PROMMA
Subdirección General Técnica
COMISIÓN NACIONAL
DEL AGUA
ORGANIZACIÓN METEOROLÓGICA MUNDIAL
Organización Meteorológica
Mundial
Departamento de Cooperación Técnica (TCO)
Harouna Diallo, Director TCO
Cooperación Técnica para América del Norte, Centroamérica y el Caribe (NCAC)
Francisco Villalpando, Gerente de Programas NCAC
Unidad de Consultores OMM/PROMMA
José Alfredo Garza Ledesma
Acuerdo de Cooperación Técnica SEMARNAP / CNA – OMM
Programa de Trabajo PROMMA 2002 OMM – CNA
Préstamo BIRF No. 4050-ME
Banco Internacional de Reconstrucción y Fomento
NOTA
Las opiniones, conceptos y recomendaciones expresadas en el presente informe deberán ser consideradas como
aquellas del consultor o consultores y no necesariamente como las de la Organización Meteorológica Mundial.
Cualquier mención o referencia de productos en el presente informe no deberá ser considerada como un aval de los
mismos por parte de la Organización Meteorológica Mundial.
NOTE
The opinions, concepts and recommendations expressed in the present report should be considered as those of the
consultant(s) and are not necessarily those of the World Meteorological Organization.
Any mention or reference of products contained in the present report should not be construed as their indorsement by
the World Meteorological Organization.
1
SEMINARIO SOBRE SEDIMENTOS
Y EL USO DE DATOS
Jean Jacques PETERS
Consultor OMM
CPROMMA-GASIR
Cuernavaca, Morelos - 29-31 de Octubre de 2002
¡ Cada día, cada año, en el
Mundo tal como en México, la
sociedad civil (es decir nosotros)
paga(mos) un costo muy alto por
no (re)conocer la importancia del
sedimento en el manejo del los
sistemas hídricos !
CONTENIDO
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Introducción
Parte 1: Hidráulica fluvial
Parte 2: Fluviomorfología y geomorfología
Parte 3: La medición del sedimento
Parte 4: Procesamiento y uso de los datos
Parte 5: Presentación de los sitios piloto
Parte 6: La necesidad de datos para ingeniería
Parte 7: Estrategia para medir el sedimento
Parte 8: Demostración de medición en el campo
INTRODUCCIÓN:
¿ Porque este seminario ?
• No sirve a nada medir sedimento si no
(sabemos) usa(r) los datos.
• Desconocer los procesos fluviales y el papel
que juega en eso el sedimento resulta en
costos altos para la comunidad, por los
daños producidos a la infraestructura fluvial.
• Falta todavía entendimiento suficiente de los
procesos fluviomorfológicos/sedimentarios.
Introducción
Introducción
• Se requiere una aproximación potamológica
“Potamología” del Griego “potamos”=río y “logía”=ciencia
para solucionar problemas de ingeniería
fluvial y para mejorar el manejo integral de
los recursos hídricos.
• El objetivo de la consultoría para sedimento
fue inicialmente un “rediseño” de la red; sin
embargo, el diagnóstico hecho en 1998 fue
que no existe una red de sedimento en
México, sólo muestreo de azolve tipo “carga
de lavado”.
OMM/PROMMA
• Reemplazar los muestreadores actuales por
nuevos no sería suficiente para resolver la
cuestión: ¿ como obtener datos de sedimento
útiles, y utilizados para resolver problemas ?
• Una encuesta fue preparada para identificar
las estaciones donde (1) se necesita datos de
sedimento y (2) se justifica la introducción de
nuevos aparatos, considerando el cuadro
institucional actual.
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
2
Introducción
• El seminario debe ser aprovechado para
explicar más bien el asunto del sedimento,
suscitar el interés de la CNA y Gerencias
para el tema, y llegar a un consenso sobre la
manera (y la utilidad/necesidad de organizar
mediciones de sedimento en México.
• Finalmente, esperamos demostrar, con
ejemplos en México y afuera, de que modo
datos de sedimento sirven para diseñar y para
el manejo de obras en ingeniería fluvial.
CONTENIDO
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Introducción
Parte 1: Hidráulica fluvial
Parte 2: Fluviomorfología y geomorfología
Parte 3: La medición del sedimento
Parte 4: Procesamiento y uso de los datos
Parte 5: Presentación de los sitios piloto
Parte 6: La necesidad de datos para ingeniería
Parte 7: Estrategia para medir el sedimento
Parte 8: Demostración de medición en el campo
Hidráulica y transporte de sedimento:
Hidráulica fluvial
• Introducción
• El sedimento se mide usualmente con el
aforo líquido para obtener un “gasto sólido”.
• En ciertos casos, el dato de sedimento se
colecta como indicador de calidad del agua
(principalmente la parte “carga de lavado”).
• En hidráulica fluvial, el sedimento es, con el
agua, parte de un sistema bi-fasico; participa
en la dinámica morfológica de los cauces.
• El sedimento es un elemento importante en la
degradación de nuestro medio-ambiente.
Contexto geomorfológico y composición del sólido
Hidráulica fluvial
• Introducción
• Contexto geomorfológico y composición
OMM/PROMMA
• La mayor parte de los sedimentos vienen de
la transformación de rocas; la geología de la
cuenca determina el tipo de mineral traído
por los ríos.
• En las cuencas altas, en las montañas, la
transformación de las rocas produce
generalmente material de gran tamaño,
aunque esa regla tiene bastante excepciones.
• A parte de los minerales, restos vegetales
forman parte del sólido traído por las aguas.
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
3
fenómeno de floculación de los más finos (aluminosilicatos y coloides).
• Existe una clasificación estándar para el tamaño
de las partículas.
• Debajo de cierto tamaño interviene la cohesión.
Dimensiones de las partículas
Milímetros
4000
2000
1000
500
250
130
64
32
16
8
4
2
1
1/2
1/4
1/8
1/16
1/32
1/64
1/128
1/256
1/512
1/1024
1/2048
-
2000
1000
500
250
130
64
32
16
8
4
2
1
1/2
1/4
1/8
1/16
1/32
1/64
1/128
1/256
1/512
1/1024
1/2048
1/4096
Milímetros
2.00
1.00
0.50
0.25
0.125
0.062
0.031
0.016
0.008
0.004
0.0020
0.0010
0.0005
-
Micrones
1.00
0.50
0.25
0.125
0.062
0.031
0.016
0.008
0.004
0.0020
0.0010
0.0005
0.00024
2000
1000
500
250
125
62
31
16
8
4
2
1
0.5
-
1000
500
250
125
62
31
16
8
4
2
1
0.5
0.24
Número de aberturas en
el tamiz, por pulgada
Estándard
Tyler
E.U.A.
2 1/2
5
9
16
32
60
115
250
5
10
18
35
60
120
230
Categoría
Material granular
• La erosión, el transporte y la sedimentación de
las partículas sólidas dependen de varios
factores: su dimensión, su densidad, su forma, ...
• La composición mineralógica es otro factor
importante, en el comportamiento de los sólidos
en contacto con substancias disueltas; e.g., el
Contexto geomorfológico y composición del sólido
Material cohesivo
Contexto geomorfológico y composición del sólido
piedra redondeada muy grande
piedras redondeada grande
piedra redondeada mediana
piedra redondeada pequeña
canto rodado grande
canto rodado pequeño
grava muy gruesa
grava gruesa
grava mediana
grava fina
grava muy fina
arena muy gruesa
arena gruesa
arena mediana
arena fina
arena muy fina
limo grueso
limo mediano
limo fino
limo muy fino
arcilla gruesa
arcilla mediana
arcilla fina
arcilla muy fina
Contexto geomorfológico y composición del sólido
Comentarios:
Hidráulica fluvial
• Expertos no se acuerdan sobre la definición
del “sedimento” y de las características
esenciales de esto a considerar en estudios.
• En muchos estudios se requeriría estudios
petrográficas para conocer el origen de las
partículas. (ver caso del sitio piloto Grijalva)
• Muy pocos ingenieros hidráulicos tienen
suficiente interés o conocimiento en la
geología, la petrografía y la mineralogía.
Carga sólida y mecanismos de transporte
• La norma ISO presenta una clasificación de
cargas y de modos de transporte del sedimento.
• Estudios muestran que esta clasificación no se
aplica a todos los ríos, tal como en ríos arenosos.
OMM/PROMMA
• Introducción
• Contexto geomorfológico y composición
• Carga sólida y mecanismos de transporte
Carga sólida y mecanismos de transporte
• La mayoría de las teorías consideran de forma
simplista que la composición del material
sólido transportado por los ríos es sencilla, y
no toman en cuenta la distribución de la
granulometría, tampoco la variabilidad de la
densidad o de la composición mineralógica.
• Las teorías reducen la complejidad de los
procesos para poder utilizar fórmulas y
modelos simples.
• Faltan suficientes pruebas de campo para
averiguar las teorías.
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
4
Carga sólido y mecanismos de transporte
Comentarios:
Hidráulica y Transporte de Sedimento
• México tiene una gran variedad de ríos, con
ambientes fluviales y sedimentos bastante
diferentes (ver los sitios piloto elegidos en el proyecto).
• Los varios problemas de ingeniería fluvial y de
manejo de sedimento en los sistemas hídricos
necesitan una aproximación cuidadosa, con
una visión crítica de las teorías (ver sitios piloto).
• Se recomienda en México, antes de empezar
con estudios y modelos, organizar
investigación aplicada sobre los procesos.
Inicio del movimiento de las partículas
• El transporte del sedimento se inicia bajo
ciertas condiciones del flujo, pero el
mecanismo exacto se desconoce todavía.
• El proceso del transporte sólido es en
esencia estocástico, pero usualmente tratado
como determinístico.
• Investigadores intentaron de relacionar el
inicio del movimiento de las partículas con
algunas variables hidráulicas, tales como la
velocidad o la fuerza de arrastre.
• La turbulencia es un factor mal conocido.
Inicio del movimiento de las partículas
Velocidades críticas para sedimento quartzo en función del diámetro promedio
OMM/PROMMA
•
•
•
•
Introducción
Contexto geomorfológico y composición
Carga sólida y mecanismos de transporte
Inicio del movimiento de las partículas
Inicio del movimiento de las partículas
• Una “escuela” relaciona el inicio del
movimiento con una velocidad del flujo.
• La primera relación fue la de Hjulstrom (1935),
utilizando la velocidad al fondo; esta no
puede determinarse fácilmente, existe una
variante usando la velocidad promedia.
• La relación de Hjulstrom es muy práctica
para dimensionar obras tales como tanques
de sedimentación, pero no se recomiendala
para estimar, en los ríos, el gasto crítico para
iniciar el movimiento del fondo.
Inicio del movimiento de las partículas
• Otra “escuela” utiliza como parámetro la
fuerza de arrastre, lo que es ya más lógico
para un proceso dinámico.
• Los intentos para utilizar directamente la
fuerza de arrastre no han sido muy exitosas, y
fue finalmente Shields quién obtuvo éxito,
relacionando parámetros no-dimensionales:
la fuerza de arrastre “Θ” y un número de
Reynolds “Re*” para la partícula.
• El diagrama de Shields es el más usado - y
más recomendado (existe en diferentes versiones).
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
5
Inicio del movimiento de las partículas
Relación de Shields
Inicio del movimiento de las partículas
Comentarios:
• No hay todavía una sola teoría “universal”
para la condición del inicio del transporte.
• En vez de la velocidad o de la fuerza de
arrastre, habría que buscar una formula
utilizando el poder disponible en el flujo
el poder es un trabajo (para mover une partícula
en una cierta distancia) por unidad de tiempo, lo
que es igual al producto de une fuerza (la de
arrastre) por una velocidad (del flujo).
• Falta buena definición de la fuerza de arrastre.
Resistencia al flujo
Hidráulica y Transporte de Sedimento
•
•
•
•
•
Introducción
Contexto geomorfológico y composición
Carga sólida y mecanismos de transporte
Inicio del movimiento de las partículas
Resistencia al flujo (¿ rugosidad ?)
• Las teorías sobre la resistencia al flujo en
canales de fondo móvil han sido desarrolladas
con base en ensayos en laboratorio.
• Una primera clasificación de las formas del
lecho fue elaborada en el laboratorio de Fort
Collins (Colorado State University, EUA)
desde los años cincuenta.
• Los pocos estudios con mediciones de campo
han mostrado los límites de las teorías.
Resistencia al flujo
Resistencia al flujo
• No hay todavía fórmulas satisfactorias para
predecir formas del lecho o para calcular la
resistencia al flujo.
• Formas del lecho se adaptan en permanencia a
los cambios de flujo y, más, al desequilibrio
entre la capacidad de transporte de sedimento
y la disponibilidad del sólido.
• Además, el fondo se adapta con cierto retraso,
induciendo efectos de histéresis, lo que
complica el análisis de las observaciones (de
campo)
OMM/PROMMA
•
•
•
•
•
•
•
Risos (a)
Risos sobre dunas (b)
Dunas (c)
Dunas suavisadas (d)
Fondo plano (e)
Antidunas (f)
Antidunas con rompimiento de la onda (g)
• Rápidos y remansos (h)
Clasificación de formas del lecho con base en resultados de los
estudios en canales de laboratorio de diferentes tamaños y con
varios materiales sólidos (Simons et al., Fort Collins, 1966)
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
6
Resistencia al flujo
Resistencia al flujo
• Relación entre la
forma del lecho, el
poder del flujo por
superficie unitaria y
el diámetro de caída
medio de las
partículas sólidas.
• Los risos no existen
para partículas de
más que 0.65 mm.
“n”(Manning)
La resistencia al flujo (“n” de Manning):
• aumenta en el régimen inferior (risos hasta dunas),
• cae en la transición (dunas suavisadas y fondo plano)
• aumenta nuevamente en el régimen superior
(antidunas hasta rápidos & remansos)
Resistencia al flujo
Comentarios:
Hidráulica y Transporte de Sedimento
• Falta todavía bastante entendimiento en los
procesos de formación de formas del lecho y
de su relación con el flujo y el transporte de
sedimento.
• En muchos estudios se utilizan predicción de
formas del lecho y de resistencia al flujo
(rugosidad), aunque estas teorías no han sido
confirmadas por estudios de campo.
Fórmulas de transporte de sedimento
• Hay bastante fórmulas de transporte de
sedimento : para transporte en suspensión,
para transporte de fondo, para transporte total.
• Hay las fórmulas “físicas” (basadas en principios de
la física), y las “experimentales” (basadas en
resultados de estudios de laboratorio).
• No hay fórmulas establecidas con base en
resultados de campo.
• Hay fórmulas muy completas, aunque bastante
complejas, tal como la de Einstein, basada en
un aproximaciones físicas.
OMM/PROMMA
•
•
•
•
•
•
Introducción
Contexto geomorfológico y composición
Carga sólida y mecanismos de transporte
Inicio del movimiento de las partículas
Resistencia al flujo (¿ rugosidad ?)
Fórmulas de transporte de sedimento
Fórmulas de transporte de sedimento
• Pocas fórmulas fueron fundadas en un
razonamiento físico desde conceptos de
disponibilidad de energía y poder.
• La aproximación de Bagnold es un ejemplo de
una buena tentativa para relacionar la
capacidad de transporte sólido al poder
disponible en el flujo (hemos utilizada su fórmula con
bastante éxito en varios ríos).
• Cabe notar que de manera general, fórmulas
han sido desarrolladas para aplicación en
condiciones particulares (ríos de sierra o de planicie)
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
7
Fórmulas de transporte de sedimento
Comentarios:
• No tenemos todavía fórmulas “ideales”, que
puedan servir en todas situaciones de ríos.
• La aplicación de fórmulas diferentes llega
usualmente en resultados bastante diferentes
Fórmulas de transporte de sedimento
Ejemplo de comparación de cálculos por la
ecuación de Ackers & White con datos de ríos de
los E.U.A. (Cp/Co = Concentración predicha / C observada)
Cp / Co
(rangos de 1 a 100 no es excepcional)
• Una conclusión oído frecuentemente, cuando
los resultados del cálculo no cumple con
mediciones es que las mediciones no pueden
hacerse con suficiente precisión!
Rango
de 100
Concentración observada (en ppm)
Fórmulas de transporte de sedimento
Comentarios:
Hidráulica y Transporte de Sedimento
• Nuestra experiencia es que algunas fórmulas
cumplen más bien que otras con buenas mediciones
bien hechas.
• Fórmulas calculan la capacidad de transporte,
y no el transporte real (resultando de esa capacidad y
de la disponibilidad de sedimento).
• La única manera de elegir una fórmula
conveniente para un estudio fluvial es con las
mejores posibles mediciones de transporte
sólido.
•
•
•
•
•
•
•
Introducción
Contexto geomorfológico y composición
Carga sólida y mecanismos de transporte
Inicio del movimiento de las partículas
Resistencia al flujo (¿ rugosidad ?)
Fórmulas de transporte de sedimento
La aplicación de teorías en ingeniería fluvial
Cuestiones de aplicación de las teorías
Cuestiones de aplicación de las teorías
• Resolver un problema de ingeniería fluvial
requiere (1) el mejor entendimiento posible
del funcionamiento dinámico del sistema
fluvial (en general) y del transporte de
sedimento (en particular), (2) buenos datos de
campo y (3) la utilización de un conjunto de
herramienta (tales como modelos matemáticos o físicos)
adecuados al “ambiente fluvial” y al tipo de
problema a resolver.
• Adquirir datos confiables no está sencillo;
utilizar modelos sin datos no está aceptable.
Sobre los datos de sedimento:
• el sedimento puede tener varias fuentes erosión de los suelos en el valle, derrumbes y
deslizamientos, erosión de las márgenes
(antiguos depósitos) - de características muy
diferentes (tamaño de las partículas, densidad, ...)
• Los procesos de transporte pueden producir
una segregación de la carga sólida : material
del lecho más fino en estiaje que en avenidas,
material más fino sobre los bancos que en el
canal activo, ...
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
8
Cuestiones de aplicación de las teorías
Cuestiones de aplicación de las teorías
Sobre el inicio del movimiento de las partículas
• En realidad, no existe un límite bien claro
entre la inmovilidad y el movimiento de las
partículas del lecho; es aspecto estocástico.
• También con caudales bajos, el flujo puede
concentrarse en “canales” poco anchos,
donde el sedimento se mueve, aunque un
cálculo daría inmovilidad; sin embargo, hay
que estimar cual es la importancia de este
movimiento para el problema que tiene.
Sobre el inicio del movimiento de las partículas
• Cuando el cauce tiene una gran variabilidad
en la granulometría del lecho, se complica el
análisis del inicio del movimiento.
• A veces (en aspectos de fluviomorfología), no tiene
sentido medir transporte en aguas bajas
cuando está débil la contribución, en esta
época, al transporte total y a los cambios de
forma del lecho.
• Existe un fenómeno de “pavimento”
(“armouring”) que impide la erosión del lecho.
Cuestiones de aplicación de las teorías
Cuestiones de aplicación de las teorías
Sobre la resistencia al flujo (rugosidad)
• Observaciones en los últimos años confirman
nuestra opinión de que no se puede predecir
la “rugosidad” con las formas del lecho (risos,
dunas, …), excepto en un rango muy limitado
de condiciones fluviales.
• La resistencia al flujo depende de mucho más
factores que las formas del lecho (meandros,
Sobre la resistencia al flujo (rugosidad)
• La geometría del cauce adapta además a los
cambios de gasto sólido.
• Localmente, este gasto puede variar bastante
con los aportes (avenidas, derrumbes, erosiones de
márgenes), o con la variación del caudal líquido
(avenidas), lo que puede provocar “ondas” de
sedimento (ver sitio piloto El Novillero) que puedan
obstruir parcialmente el cauce y reducir la
capacidad hidráulica.
cimas)
• La geometría del río se adapta continuamente
a los cambios de flujo, con cierto retraso.
Cuestiones de aplicación de las teorías
Sobre las fórmulas de transporte:
• La partición del transporte sólido en dos
cargas (de suspensión y de transporte de fondo) es
conveniente para el cálculo, pero bastante
artificial; puede aceptarse únicamente en
algunos casos cuando el fondo está
compuesto de material bastante grueso (tal
como en el Río Amacuzac).
• En ríos arenosos, no existe una separación
muy clara entre transporte de fondo y de
suspensión (tal como en el Bajo Grijalva).
OMM/PROMMA
Cuestiones de aplicación de las teorías
Sobre las fórmulas de transporte:
• Curvas de gasto sólido existen en algunos
casos (ríos con principalmente carga de lavado).
• Sin embargo, en muchos casos, el transporte
es “pulsante” (por “ondas”), y el transporte real
(medido) no corresponde a la capacidad de
transporte.
• Además, el sedimento puede acumularse
durante temporalmente en una zona, para ser
movilizado después, en este caso es difícil
establecer balances de sedimento.
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
9
Cuestiones de aplicación de las teorías
Sobre las cargas sólidas:
• Las cargas sólidas medidas por muestreo en
ciertos ríos no siempre corresponden a la
clasificación de la norma ISO.
• En ríos arenosos, parte del transporte de
fondo se mueve cerca del fondo en vez de en
contacto con el fondo; esta carga participa a
los cambios de formas del fondo - la morfología
- y por eso proponemos llamarla “carga
morfológica” (definición que no se encuentra en las
teorías).
OMM/PROMMA
Fin de la Parte
Nociones de Hidráulica Fluvial
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
10
Cuestiones de aplicación de las teorías
Fluviomorfología y geomorfología - Introducción
Sobre las cargas sólidas:
• Las cargas sólidas medidas por muestreo en
PARTE 2
ciertos ríos no siempre corresponden a la
clasificación de la norma ISO.
Fluviomorfología
• En ríos arenosos, parte del transporte de
fondo se mueve cerca
y del fondo en vez de en
contacto con el fondo; esta carga participa a
Geomorfología
los cambios de formas del fondo - la morfología
- y por eso proponemos llamarla “carga
morfológica” (definición que no se encuentra en las
teorías).
• Los cambios morfológicos en los ríos no
resultan solamente de la acción combinada
del flujo y del transporte de sedimento, pero
también del contexto geomorfológico.
• Este contexto
geomorfológico
Fin
de la Partecomprende la
geología, la orografía, la mecánica de suelos,
Nociones
de Hidráulica Fluvial
es decir todos elementos que controlan la
forma y la deformación de los cauces de ríos.
• En ciertas regiones, tal como en México, la
tectónica puede ser otro factor muy
importante.
Cuencas y subcuencas
Fluviomorfología y Geomorfología
• Introducción
• Cuencas y subcuencas
La cuenca es la unidad geomorfológica para estudios
fluviomorfológicos, con tres subcuencas, con sus
procesos sedimentarios distintos: erosión en la alta,
transferencia en la media, depósito en la baja. El
esquema de Schumm (1977) es bastante sencillo.
producción de erosión
Cuencas y subcuencas
sedimentación
Cuencas y subcuencas - subcuencas altas
• En la subcuenca alta, los ríos se forman y el
cauce se encañona por erosión. Los flujos
entrenan los productos de la socavación y de
la erosión hacia las partes baja de la cuenca.
• En la subcuenca media, existe un cierto
equilibrio entre la capacidad de transporte del
flujo y los aportes de sedimento; es la zona de
transferencia.
• En la subcuenca baja, los sedimentos se
depositan por falta de capacidad de transporte,
en deltas o en estuarios.
OMM/PROMMA
transferencia
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
La producción de sedimento en
las cuencas altas depende de la
naturaleza de las rocas, es decir
de la geología y de la tectónica.
Derrumbes y deslizamientos
contribuyen bastante en la
producción de sedimento.
Movimientos tectónicos, fallas
y pliegas determinan la forma
de los cauces.
La vegetación ayuda a controlar
la erosión de los suelos.
Jean Peters
11
Cuestiones
de aplicación
de las teorías
Cuencas
y subcuencas
- subcuencas
altas
•Sobre
La geología
las cargas
y la
sólidas:
tectónica determinan la forma
de los
cauces
en lasmedidas
cuencaspor
altas.
• Las
cargas
sólidas
muestreo en
• ciertos
Sin embargo,
ríos noen
siempre
los tiempos
corresponden
geológicos,
a la se
podían formardeterrazas,
clasificación
la normaenISO.
cuales los flujos
cauces.
• cortan
En ríosnuevos
arenosos,
parte del transporte de
• fondo
Los procesos
se mueve
geomorfológicos
cerca del fondodependen
en vez dede
en
varios factores
contacto
con el naturales:
fondo; estageología,
carga participa
tectónica,
a
climatología,
los
cambios deetc.
formas
Sin embrago,
del fondoen- latiempos
morfología
recientes,
la construcción
de“carga
obras (presas,
-más
y por
eso proponemos
llamarla
morfológica”
carreteras, puentes)
(definición
y la ocupación
que no se encuentra
de losensuelos
las
han
modificado
el contexto geomorfológico
.
teorías)
Cuencas y subcuencas - subcuencas medias
• En las subcuencas medias, los cauces de los
ríos se desarrollan en terrenos variados,
generalmente en materiales erosionables, pero
formaciones resistentes pueden controlar el
movimiento del lecho.
• Las formaciones resistentes pueden ser
antiguas, pero también muy recientes.
• Significa que no sóla la geología determina la
forma, también la mecanica de suelos;
diferencias de composición de suelos pueden
afectar el comportamiemto del lecho.
Cuencas y subcuencas - subcuencas medias
• A parte de las formaciones geológicas, las
confluencias con otros ríos pueden controlar la
posición del cauce en ciertos puntos.
Ejemplo de cauce parcialmente confinado:
Un río tropical en
su cuenca media
(Amazona Bolivia)
desarrolla en una
planicie aluvial,
pero su cauce está
controlado por una
formación terciaria
(el deslizamiento es
fuente de sedimento)
OMM/PROMMA
Cuencas y subcuencas - subcuencas altas
Fin de la Parte
Nociones de Hidráulica Fluvial
Otro ejemplo de subcuenca alta
Cultivos en pendientes, erosión
al pie de talud, deslizamiento de
tierra y cárcavas aportan
material sólido al río.
Cuencas y subcuencas - subcuencas medias
Clasificación de cauces según grado de control:
• Canal encañonado: lecho bajando, margenes
arriba de los niveles máximo en crecida.
• Canal parcialmente encañonado: puede bajar,
planicie de inundación ocasional.
• Canal confinado: estable o subiendo, las
paredes del valle controlan el cauce.
• Canal parcialmente confinado: paredes del
valle controlan ocasionalmente el cauce que
puede desarrolar su cauce (ver ejemplo siguiente).
Cuencas y subcuencas - subcuencas bajas
En la parte baja de las cuencas, los contextos
geomorfológico pueden ser muy diversos:
• Cuando la franja aluvial entre el pie de monte
y el mar - o un lago - está poca profunda, los
terrenos atravesiados por el río tienen una
composición muy heterogénea (sitio piloto “El
Novillero”, en la Costa del Pacífico).
• El material traído hasta el mar puede ser
bastante grueso ( ver la desembocadura del río Balsas)
• En embalses de presas, la granulometría de los
depositos en un lugar varian segun el nivel de
agua (caso de la presa Malpaso, cuenca del río Grijalva).
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
12
Cuestiones
de aplicación
de las teorías
Cuencas
y subcuencas
- subcuencas
bajas
Cuencas y subcuencas - subcuencas bajas
•Sobre
En loslasdeltas
cargas
desólidas:
presas, los cauces avulsionan
de posición)
y la granulometría
del en
• (cambian
Las cargas
sólidas medidas
por muestreo
material
depositado
es muy
variable, depende
ciertos ríos
no siempre
corresponden
a la
del
nivel del embalse
y de ISO.
los aportes del río.
clasificación
de la norma
Las desembocaduras:
• El tipo de desembocadura depende de la
relativa acción del mar y del río.
• Ríos que llevan bastante material sólido hacia
el mar forman
Findeltas.
de la Parte
• Nociones
Cuando el marde
tiene
mareas y/ó olas
fuertes, el
Hidráulica
Fluvial
material será erosionado y transportado por
corrientes marinas formando lagunas; una
barra la separa del mar.
• Ríos con aporte sólido debil, en mares con
fuertes mareas, forman estuarios.
• En ríos arenosos, parte del transporte de
fondo se mueve cerca del fondo en vez de en
contacto con el fondo; esta carga participa a
los cambios de formas del fondo - la morfología
- y por eso proponemos llamarla “carga
morfológica” (definición que no se encuentra en las
teorías).
Embalse Malpaso
Morfología de los cauces
Fluviomorfología y Geomorfología
• Introducción
• Cuencas y subcuencas
• Morfología de los cauces
• La geomorfología de los cauces es el resultado
de una multitud de factores: hidráulicos,
sedimentológicos, geológicos, tectónicos,
resistencia a la erosión del lecho, ...
• En ingeniería fluvial, necesitamos - ¿ o
queremos ? - ordenar los ríos en categorías.
• Sin embargo, en la realidad es bastante más
compleja que la teoría; además, hay que
comprender que la forma de un lecho es el
resultado de una evolución natural, en cual la
acción humana interfiere.
Morfología de los cauces
Morfología de los cauces
La clasificación tradicional considera tres tipos
de cauces: rectos, con meandros y trenzados.
• Los cauces “rectos” no pueden desarrollarse
naturalmente, y pueden existir solamente
cuando su curso está totalmente controlado.
• No se entiende todavía el fenómeno de
formación de los meandros, tampoco de los
cauces trenzados.
• Existen varios tipos de meandros: regulares,
tortuosos; estos últimos se forman cuando la
geología, el relieve, la resistencia a la erosión
de ciertas márgenes controlan el cauce.
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
13
Cuestiones
de aplicación
de las teorías
Morfología
de los cauces
Una
Sobre
clasificación
las cargas sólidas:
(Brice, 1983) considera cuatro
tipos
cauces,
dos sinuosos,
y dos
trenzados;
• Lasde
cargas
sólidas
medidas por
muestreo
en
además,
para cada
uno la posible
ciertosconsidera
ríos no siempre
corresponden
a la
presencia
de varias
.
clasificación
de laramas
norma(“anaramas”)
ISO.
• En ríos arenosos, parte del transporte de
• Trenzado,
sinuoso
fondo se mueve cerca del fondo
en veznode
en
contacto con el fondo; esta carga
participa
a
• Trenzado, sinuoso
los cambios de formas del fondo - la morfología
- y por eso proponemos llamarla
“carga
• Sinuoso,
barras puntales
morfológica” (definición que no se encuentra en las
• Sinuoso, canaliformo
teorías).
Morfología de los cauces
Los ríos con meandros pueden tener varias formas
en un mismo lugar, lo que depende del régimen
hidrológico y de la carga en sedimentos, todos
elementos de las cuencas.
Fin de la Parte
Nociones de Hidráulica Fluvial
Morfología de los cauces
Los meandros se desplazan por erosión de margen
externa (convexa) y sedimentación en la margen
interna (cóncava); pueden ocurrir cortes de
meandros, que dejan brazos muertos (“oxbow lakes”)
Morfología de los cauces
Cortes de meandros:
• Cuando un corte de meandro deja el brazo
“muerto”, los sedimentos del río se depositan
en las entrada de este brazo y forman tapones.
• Cuando el río trae lodo, los tapones son de
arcilla y crean puntos de control, con mas alta
resistencia a la erosión (funcionan como control
geológico).
• La presencia de estas zonas más resistentes en
la planicie de inundación afectan el desarrollo
de los meandros.
Morfología de los cauces
• Estudios pretenden que la geometría de un
cauce se adapta a un caudal “formante” :
expertos toman el gasto de bordo lleno, otros
el gasto que trae, durante el año, la mayor
cantidad de sedimento.
• Existen fórmulas para relacionar la geometría
de los cauces al caudal (por ejemplo, el ancho del
Morfología de los cauces
Valores de pendientes del cauce y de gasto líquido
para ríos de E.U.A. (Leopold & Wolman, 1957)
Pendiente del canal
Trenzado
Recto
Con meandros
río es proporcional al caudal con un exponente)
• Pensamos que la geometría y la forma del
cauce depende bastante de la evolución en el
tiempo del gasto líquido (formas de crecidas)
Gasto líquido de bordo lleno (en pie cúbico por segundo)
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
14
Cuestiones
de aplicación
de las teorías
Morfología
de los cauces
Morfología de los cauces
Sobre las cargas sólidas:
Pendiente del cauce
• Las cargas sólidas medidas por muestreo
en
ciertos ríos no siempre corresponden a la
clasificación de la norma ISO.
• En ríos arenosos, parte del transporte de
Gasto líquido
Carga se
sólidamueve cerca del fondo en vez
fondo
de en
contacto con el fondo; esta carga participa a
los cambios de formas del fondo - la morfología
- y por eso proponemos llamarla “carga
Lane (1955)
ha mostrado
la relación entre el producto
morfológica”
(definición que no se encuentra en las
del gasto
líquido con la pendiente y el producto entre
teorías).
de la carga sólida con el tamaño de las partículas.
Existiría una relación entre el gasto de bordo lleno
y el gasto medio anual (¡ver la distribución de los datos!)
Tamaño de
las partículas
del sedimento
Fin de la Parte
Nociones de Hidráulica Fluvial
Gasto líquido de bordo lleno
(en pie cúbico por segundo)
Rango de
mas de 10
Gasto líquido medio anual
(en pie cúbico por segundo)
Avulsión en abanicos fluviales
Conos (o abanicos) aluviales se forman donde
la capacidad de transporte disminuye y está
debajo de la carga sólida aportada al río.
Fluviomorfología y Geomorfología
•
•
•
•
Introducción
Cuencas y subcuencas
Morfología de los cauces
Avulsión de cauce en abanicos aluviales
Avulsión en abanicos fluviales
• El abanico aluvial (o cono de deyección) se
forma conforme el material depositado: el
material de mayor tamaño cerca de la cumbre,
punto central del abanico, el fino al final.
• Los canales tienen geometrías inestables, con
movimiente lateral rápido o brusco (avulsión).
• La problemática de las inundaciones en los
abanicos fluviales es siempre más preocupante
por la grán ocupación de estas zonas: por la
agricultura y los asentamientos humanos (ver
sitios piloto “El Novillero” y “Bajo Grijalva”).
OMM/PROMMA
Fluviomorfología y Geomorfología
•
•
•
•
•
Introducción
Cuencas y subcuencas
Morfología de los cauces
Avulsión de cauce en abanicos aluviales
Respuesta morfológica de los cauces
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
15
Cuestiones
aplicaciónde
delos
lascauces
teorías
Respuesta de
morfológica
•Sobre
Obras
lashidráulicas
cargas sólidas:
e intervenciones humanas
en las
cuencas
cambian
el equilibrio
que fue
• Las
cargas
sólidas
medidas
por muestreo
en
establecido
en siempre
el tiempocorresponden
en los cauces.
ciertos
ríos no
a la
• Por
clasificación
ejemplo: de
la construcción
la norma ISO.de presas en un
río
(ver
el
Grijalva)
no cambian
el volumen
• En ríos arenosos, parte
del transporte
de
anual
total
aguas
abajo
de
las
presas,
sino
fondo se mueve cerca del fondo en vez
de la
en
forma
de
las
ondas
de
crecidas
(picos
mas
contacto con el fondo; esta carga participabajos,
a
estiaje
más alto).
los cambios
de formas del fondo - la morfología
• Con
el balance
de Lane, llamarla
se puede“carga
evaluar el
- y por
eso proponemos
impacto por carencia
(almacenado
morfológica”
(definiciónde
quesólido
no se encuentra
en las en
las embalses)
: degradación del cauce aluvial.
.
teorías)
Respuesta morfológica de los cauces
• El menor gasto de bordo lleno hace que el
cauce evolucionará hacia un curso más
sinuoso; sin embargo, este cambio de cauce
debe realizarse por el transporte de sedimento,
y tomará un tiempo relativamente largo.
Fin de la Parte
• En el lecho (de ancho demasiado) se formará un
Nociones
deloHidráulica
cauce trenzado,
que resultará enFluvial
ataque
oblicua de las orillas con erosión de márgenes.
• La reacción usual es de construir protecciones,
aún sin tratar identificar las causas de las
erosiones.
Conclusión
Fluviomorfología y Geomorfología
•
•
•
•
•
•
Introducción
Cuencas y subcuencas
Morfología de los cauces
Avulsión de cauce en abanicos aluviales
Respuesta morfológica de los cauces
Conclusión
• El manejo de cauces debe tomar en cuenta la
dinámica fluviomorfológica y las condiciones
geomorfológicas.
• Si cambian los gastos líquidos y/o sólidos en
un río, de manera natural o artificial, el
sistema fluvial adaptará de manera progresiva,
a escalas de tiempo muy diferentes.
• El manejo de los cauces debe basarse en su
conocimiento, lo que necesita observaciones
de campo (geología, hidráulica, transporte de
sedimento, topo-batimetría, mecánica de suelos).
Conclusión
• El objetivo de las observaciones de campo no
deben ser la obtención de datos para alimentar
estudios en modelo, pero más bien establecer
un “modelo conceptual”, en cual será basado
el modelo reducido o matemático.
• El transporte de sedimento es un elemento
fundamental en la dinámica fluvial y requiere
una formación particular, lo que es el asunto
de nuestra consultoría.
• El manejo de los cauces necesita una
aproximación multi-disciplinaria.
OMM/PROMMA
Fin de la Parte
Fluvio- y geomorfología
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
16
La Medición del Sedimento
PARTE 3 (a)
• Introducción
La Medición del Sedimento
Métodos y Aparatos (1)
La Medición del Sedimento - Introducción
La Medición del Sedimento - Introducción
• Una introducción a la medición del sedimento en
México - el pasado, presente y futuro - fue
presentado en Noviembre de 1998 y las pantallas
están disponibles en el Informe 11 del consultor
(disponible en CPROMMA).
• Una conclusión de las visitas de campo del año
1998 fue que no hay exactamente mediciones de
sedimento en México, únicamente muestras de
carga de lavado; se puede considerar eso como
dato de gasto sólido solamente en ríos que no
traen partículas más gruesas que limo.
• Con la experiencia de los años 1999 a 2002,
podemos presentar una estrategia para la colecta
de datos confiables en los ríos del país.
• Diferentes aparatos fueron comprados por la
OMM y probados en tres sitios piloto, en las
cuencas El Novillero (Chiapas), Balsas (Mezcala
en Guerrero y Amacuzac en Morelos), y Grijalva
(Mezcalapa, Samaria y Carrizal en Tabasco).
• La idea principal es de mejorar el muestreo en un
número de estaciones (a determinar) y de
establecer brigadas móviles especializadas.
La Medición del Sedimento - Introducción
• Antes de presentar la estrategia y los aparatos y
métodos, hay que identificar las cargas que
queremos medir (a explicar en más detalles en la
discusión de los sitios piloto, así como durante la
visita de campo).
• En ausencia de suficiente datos de México,
presentaremos datos de otros ríos para aclarar
ciertos aspectos de la medición del sedimento.
• Antes de empezar con mediciones, hay que bien
identificar las necesidades de datos: los finos para
estudios de calidad del agua, los gruesos para
estudios de morfología.
OMM/PROMMA
La Medición del Sedimento
• Introducción
• Cargas y modos de transporte del sedimento
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
117
Cargas y modos de transporte del sedimento
Cuencas y subcuencas - subcuencas bajas
• La norma ISO 3718 presenta las cargas de lavado
y de material de fondo, y los modos de transporte.
• Aunque esta definición puede aceptarse para
ciertos ríos, nuestras mediciones en el Río Congo
revelaron (¡desde 1968!) la presencia de una franja
cerca del fondo, en cual se mueven partículas del
material del fondo, con una distribución vertical
de la concentración que no sigue la ley de
ROUSE (ley exponencial de disminución de la
concentración desde el fondo hacia la superficie).
• Los datos indican un movimiento de partículas
más gruesas que la de la suspensión, en una
franja hasta 0.4 m de espesor.
• Se trata de dos poblaciones distintas, la franja
cerca del fondo contiene material del lecho.
Cuencas y subcuencas - subcuencas bajas
Cuencas y subcuencas - subcuencas bajas
• Mediciones realizadas en el Río Jamuna (el
Brahmaputra) en 1995 revelaron los mismos
fenómenos, aunque el espesor de la franja
cerca del fondo llegaba hasta 2 metros.
• Mediciones de la distribución de las cargas
por fracción granulométrica en las Amazonas
muestran bastante heterogeneidad.
Distancias (m)
Profundidad (m)
Total
Fracción más gruesa
que 0.063 mm
Fracción más fina
que 0.063 mm
(Fuente Meade, 1985)
Carga sólido y mecanismos de transporte
Carga sólido y mecanismos de transporte
Comentarios:
Comentarios:
• Para estudios de calidad del agua podemos
medir solamente la carga de lavado.
• Para problemas tales como el azolvamiento de
embalses de presas, es necesario medir la
carga total (suspensión y de fondo).
• Para estudios relacionadas a la morfología del
cauce, hay que medir la carga (cerca) del fondo.
• En ríos arenosos, el transporte de material del
lecho en la franja cerca del fondo es el primer
responsable de los cambios morfológicos del
cauce.
OMM/PROMMA
• Definimos un nuevo tipo de carga, la “carga
morfológica”: todo el material del lecho
transportado en contacto con el fondo y cerca
del fondo.
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
18
Carga sólido y mecanismos de transporte
Comentarios:
• La determinación del transporte con aparatos
de medición específicamente para medir el
transporte por arrastre (carga de contacto) puede
dar una valor sub-estimada del transporte
responsable de los cambios morfológicos.
• Hay que adaptar los aparatos a la carga que
queremos determinar, eventualmente con más
de un aparato por cada carga.
(pasar a la parte 3b)
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
19
La Medición del Sedimento
PARTE 3 (b)
La Medición del Sedimento
Métodos y Aparatos (2)
• Introducción
• Cargas y modos de transporte del sedimento
• Transporte de fondo
Transporte de fondo
Transporte de fondo
• Para la medición del transporte por arrastre del
material de fondo, hay que distinguir entre (1)
transporte de contacto y (2) cerca del fondo.
• No existe ningún sistema que permita medir
directamente la carga total del transporte por
arrastre de fondo.
• Muestreadores han sido diseñados desde hace
mucho tiempo para capturar la fracción más
gruesa que limo, generalmente en una trampa
de mimbre cuales aperturas dejan escapar el
material más fino (limo y arcilla).
• Existen muchos muestreadores de este tipo,
diseñados para capturar material de arena
hasta boleos gruesos.
• Para México, hemos elegido dos aparatos: el
BTMA y el US BL-84 (o Helley-Smith).
• El BTMA (Bedload Transport Meter Arnhem) fue
diseñado en Arnhem (Holanda) en 1936, y
calibrado en Zurich (Suiza) en 1937. Tiene
bastante ventajas, pero su gran tamaño
dificulta su utilización en el campo, por
necesitar una grúa.
Transporte de fondo
• Investigadores de los E.U.A. han concebido
una variante más pequeña, el Helley-Smith,
construido ahora por el FISP (Federal Interagency
Sedimentation Project): el US BL-84.
• En corrientes fuertes y/o profundidades
grandes, el aparato es arrastrado hacia agua
abajo y llega cerca del fondo en velocidades
menores, donde disminuye la fuerza de
arrastre de tal modo que la boca puede cortar
el lecho y sacar material del fondo en vez del
transporte de sedimento.
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
20
Helley
Helley--Smith en el River Survey Project (Bangladesh)
Transporte de fondo
• El BTMA tiene una ventaja seria: el sistema
de suspensión muy original, lo que permite
depositar el armazón primero al fondo, antes
que se pone la boca-toma sobre el lecho.
• La eficiencia (el porcentaje que representa la
muestra en relación al transporte) depende del
volumen acumulado con el tiempo.
• El transporte de fondo (carga de contacto) es
bastante variable (pulsante); se necesitan
varias muestras para obtener una valor
promedia del transporte.
El BTMA
(pasar a la parte 3c
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
21
La Medición del Sedimento
PARTE 3 (c)
La Medición del Sedimento
Métodos y Aparatos (3)
Transporte cerca del fondo
El transporte cerca del fondo no se mide
usualmente; se considera como la “zona sin
muestreo”, aunque puede contener transporte
importante.
La curva de
concentración
es la teórica,
según la ley
de Rouse.
•
•
•
•
Introducción
Cargas y modos de transporte del sedimento
Transporte de fondo
Transporte de arena/grava cerca del fondo
Transporte cerca del fondo
• Si el río tiene, cerca del fondo, un transporte
importante de material del lecho, falta
información importante si no se mide la
fracción arenosa o gravosa en la “zona sin
muestreo”.
• Es posible con el muestreador “Botella de
Delft” (BD-12), aunque no fue diseñado para
la carga “morfológica” (sino para medir la carga
en suspensión, y para tener más precisión en la
forma del perfil de concentración cerca del fondo).
Transporte cerca del fondo
Transporte cerca del fondo
• El aparato está descrito en nuestros informes;
tiene una camera “trampa” tipo laberinto
donde se deposita el sedimento de tamaño
más grueso que limo.
• La Botella de Delft (BD-12) tiene la ventaja
de poder “filtrar” grandes volúmenes de agua
y tener de este modo un valor mucho mucho
más representativa que otros muestreadores
• El aparato BD-12 tiene otra gran ventaja, es
que da inmediatamente el gasto sólido a
través de la bocatoma (en cc³/minuto), sin
necesitar labores de laboratorio.
• La integración en una vertical de las
muestras a diferentes niveles da el gasto
sólido de arena/grava en esta vertical.
• La muestra tiene generalmente un volumen
suficiente para una determinación de la
distribución granulométrica (más fácilmente
con el US VATSA-58).
(El volumen “filtrado” por el BD-12 puede ser del
orden de 30 a 40 litros, aunque un muestreador
tradicional saca medio litro).
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
22
Botelle de Delft
en su armazon
Transporte en suspensión
La Medición del Sedimento
•
•
•
•
•
Introducción
Cargas y modos de transporte del sedimento
Transporte de fondo
Transporte de arena/grava cerca del fondo
Transporte en suspensión
Muestreador
PUNJAB
(India)
• La medición de la carga en suspensión (la
total, es decir gruesa y fina) se puede determinar
con diversos muestreadores.
• El aparato utilizado en la CNA y en la CFE
es el porta-botella tradicional, similar a
muestreadores de otros países; sirve para
medición de carga de lavado, es decir cuando
la suspensión no tiene material más grueso
que limo.
• La botella vertical no permite un muestreo
isocinético (velocidad de toma = velocidad del flujo)
Transporte en suspensión
• Muestreadores isocinéticos existen en muchas
versiones, ligeros para manejar de mano (por
vadeo o con una línea desde un puente) o con
malacate (desde puente o cable-vía).
• Muestreadores por integración vertical
(muestreo continuo entre la superficie y el fondo)
se utilizan en ríos que tienen una distribución
bastante homogénea en la sección transversal.
• Para ríos con distribución heterogénea en la
sección transversal, se necesita muestreadores
isocinéticos de medición puntual.
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
23
Transporte en suspensión
• No se venden muchos muestreadores en el
mundo y la producción es para servicios
oficiales.
• La más gran variedad de aparatos lo tienen
los E.U.A. y China, porque tienen bastante
problemas de sedimento.
• Desde hace mucho tiempo, expertos quieren
desarrollar sistemas automáticos para medir
la concentración de la suspensión; no se ha
podido llegar a un buen resultado debido a la
heterogeneidad del material sólido.
US DHS-59
Transporte en suspensión
ANX3
ANX3--50 Bolsa Colapsable
• Un mejoramiento para la medición de la
suspensión ha sido el muestreador de “bolsa
colapsable”; el primer prototipo fue diseñado
para muestreo en las Amazonas.
• En China fue concebido el muestreador
colapsable ANX3, para mediciones en ríos
de alta velocidad; existe en versiones desde
50 Kg hasta 750 Kg (¡si, siete ciento cincuenta!)
• El problema mayor para operar estos
aparatos es el peso, y necesita grúas
potentes.
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
124
Grúa GRB
ANX3-50 “Bolsa Colapsable, abierto.
Material del lecho
La Medición del Sedimento
•
•
•
•
•
•
Introducción
Cargas y modos de transporte del sedimento
Transporte de fondo
Transporte de arena/grava cerca del fondo
Transporte en suspensión
Material del lecho
• El análisis de los datos de transporte de
sedimento debe incluir los del material del
fondo.
• La mayoría de las dragas pierden parte de la
muestra durante la subida hacia la superficie;
se recomienda el muestreador de fondo US
BMH-60 o el USBM-54.
Fin de la Parte
Medición del Sedimento
y Aparatos
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
25
Procesamiento y Uso de los Datos
PARTE 4
• Introducción
La Medición del Sedimento
Métodos y Aparatos
Procesamiento y uso de datos - Introducción
Procesamiento y uso de datos - Introducción
• La primera cuestión debería ser :
¿ Porque necesitamos datos de azolve ?
• En este seminario, damos más énfasis a la
obtención de datos para solucionar problemas de
ingeniería fluvial y de manejo de cauces
(sistemas hídricos).
• Nuestra estrategia es de mejorar las mediciones
tradicionales en las estaciones hidrométricas, y
cancelar en un cierto número de estas la medición
rutinaria, después de un análisis detallado de los
datos existentes.
• Sin embargo, para ciertas estaciones, existen
curvas de gasto sólido regulares, el aspecto
“calidad” del agua, información tradicional en las
estaciones hidrométricas.
• Los datos de sólido no deben procesarse de la
misma manera que los datos del líquido, porque
la relación entre sólido y líquido responde a
procesos físicos muy complejos.
Procesamiento y uso de datos - Introducción
• El procesamiento de datos para la ingeniería
fluvial requiere bastante experiencia, y una
capacitación particular; no existen libros o
manuales que explican bien como hacerlo.
Procesamiento y Uso de los Datos
• Introducción
• Las curvas de gasto sólido
• No podemos en un tan corto seminario dar esta
capacitación; sin embargo, esperamos dar a
Ustedes el interés para el asunto (“abrir el apetito
...”).
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
26
Curvas de gasto sólido
• No tenemos todavía datos confiables para
establecer curvas de gasto sólido, y prefiero
presentar resultados de nuestras mediciones en el
Congo para ilustrar que es factible realzar buenas
mediciones de suspensión y arrastre de fondo
(carga morfológica) en ríos arenosos.
Curvas de gasto sólido
Los datos de la Botella de Delft en las secciones
principales del Congo dan buenas relaciones, con
un cambio de régimen cuando el gasto líquido en
la sección mayor llega a 40.000 m³/s (lo que
corresponde al pasaje al régimen superior)
• Debido a la gran dispersión de datos,
recomendamos el método de “valores agrupadas”
(ver parte siguiente)
Fin de la Parte
Procesamiento y
Uso de los Datos
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
27
Taller Sobre El Uso
De Datos De Sedimento
Interpretación de datos de campo:
muestras del lecho y de transporte,
topo-batimetría y hidráulica
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
28
Curvas De Gasto Sólido
• No existen siempre curvas de gasto sólido,
pero puede siempre poner en gráfico una
relación del gasto sólido en función del
gasto líquido.
• Una curva de gasto líquido es raramente
estable, porque la tasa de transporte
depende de la disponibilidad de material a
transportar.
Curvas De Gasto Sólido
• Cálculo de una curva de gasto sólido debe
utilzar diversas aproximaciones.
• Se puede establecer una curva por análisis
visual.
• Se recomienda calcular la curva de gasto
sólido por el método “group average”
(mediana por grupo).
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
29
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
30
OMM/PROMMA
Estrategia para la Medición de Sedimento en México
y el Uso de Ingeniería Fluvial
Seminario sobre sedimentos y Uso de Datos
Jean Peters
COMISION NACIONAL
DEL AGUA
Programa de Modernización
del Manejo del Agua