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explicación de teoria y métodos
Tipo: Apuntes
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El agua de un cauce natural generalmente transporta material sólido o sedimentos, ya sea en suspensión cuando los diámetros son pequeños o la turbulencia de la corriente es alta, también pueden ser transportados rodando o saltando cuando su diámetro es mayor. Al referirse al material sólido se le llama generalmente sedimentos y no deben incluir ni basuras ni sales disueltas en el agua, por lo cual sólo serán materias minerales procedentes del cauce o de la cuenca de aportación. La utilidad de poder calcular el material transportado por un cauce tiene diversos significados como pueden ser: El cálculo de la capacidad muerta de un embalse, la frecuencia del dragado en embalses y en cauces, el diseño de cajas o tanques sedimentadores, la altura de una obra de toma, etc. A continuación, se presentan los temas a exponer correspondientes a la exposición 2 cuantificación del transporte de sedimentos.
El transporte de sedimentos consta de transporte de sedimentos en suspensión y transporte de depósitos arrastrados por la corriente. El transporte de depósitos arrastrados por la corriente se da en el área cercana al fondo y es un factor muy importante de moldeado del lecho de río. Rodadura: Los sedimentos permanecen en contacto constante con el fondo. Normalmente, ruedan granos de sedimentos grandes. Saltación: El grano de sedimentación, pequeñas piedras de grava, es arrancado del fondo por el flujo y deja brevemente el suelo. El flujo lo arrastra consigo antes de que se vuelva a depositar. Suspensión: Las materias en suspensión son materias sólidas suspendidas en el agua y sin contacto con el fondo.
Método de Lazo: La aplicación de este método consiste en recorrer la sección midiendo con el ADCP desde una margen a la otra del río y retornar nuevamente al punto de inicio. Al existir movimiento del fondo, el punto inicial y final utilizando de referencia el seguimiento de fondo (Bottom Track) serán diferentes, y a partir de esta diferencia se calcula la velocidad de fondo móvil Método Estacionario: Las mediciones estacionarias consisten en dejar el instrumento en una posición fija midiendo durante el tiempo necesario para registrar el desplazamiento de una duna completa, registrando el campo de velocidades y la batimetría de manera simultánea. Método Dinámico Las mediciones dinámicas realizadas con el ADCP se utilizaron para aplicar la técnica de seguimiento de duna, que consiste en comparar el desplazamiento de un conjunto de formas de fondo a través del relevamiento de dos perfiles longitudinales del lecho relevados durante sucesivos períodos de tiempo (ecuación 4), donde α: factor de forma (0,5 para dunas regulares y 0,6 para dunas irregulares) Conclusiones El uso perfilador de Corriente Acústico Doppler para estimar el transporte de sedimentos resulta ser más sencillo, rápido y seguro (para el operario sobre todo en condiciones de crecida donde se da el mayor transporte) en comparación a los muestreadores convencionales, mientras que la precisión dependió de la metodología empleada y el tipo de medición utilizada. El método del lazo demostró ser efectivo para reconocer el transporte de fondo, y obtener una velocidad promedio del sedimento en la sección. Sin embargo, para el cálculo de transporte aumenta la incertidumbre al considerar el espesor de la capa activa, resultando en grandes diferencias, del orden del 200% respecto al valor de referencia. Las mediciones estacionarias sobre formas de fondo permitieron estimar el transporte de sedimentos de fondo en forma precisa, fácil y segura, con la ventaja de medir en forma simultánea las velocidades del flujo sobre la forma de fondo. sobre esta perturbación del fondo y cómo afecta al flujo medio. Respecto a las mediciones dinámicas, se obtuvieron buenos resultados, con diferencias menores al 35%, que lo convierte en una metodología alternativa cuando no se puedan realizar mediciones estacionarias.
La fórmula de Meyer-Peter y Müller (1948), para el cálculo de descarga de sedimentos por arrastre de fondo, fue desarrollado a partir de experimentos con partículas de arena de tamaño uniforme, partículas de arena de diferentes tamaños, grava natural, lignito y barita. Se basa en los siguientes supuestos. a) La pendiente de la línea de energía es una característica de interacción entre el movimiento sólido y líquido de un flujo de transporte de sedimentos. Una cierta parte de la energía se consume para el transporte de sólidos y la energía restante para el movimiento líquido.
b) Los mismos fenómenos gobiernan el transporte de sedimentos y el inicio del movimiento. Para la aplicación se requiere el conocimiento de los siguientes parámetros: peso específico de los sedimentos, diámetros característicos del material de fondo, la pendiente de la línea de energía, el caudal de flujo y la forma de la sección transversal del canal. La fórmula empírica original de Meyer- Peter & Müller, en el sistema métrico, válida para arenas y gravas con diámetros entre 0.4 a 30mm, en el siguiente (Carvalho, 2008, Vanoni, 1977, Sheppard, 1960, Stevens & Yang, 1989) En la cual, Donde
Einstein (1950) desarrollo un método para estimar la descarga del material de fondo, para diferentes caudales, a partir de los datos de la sección transversal y de muestras de material de fondo, en un
El grado de libertad de un escurrimiento es el número de parámetros que pueden ajustarse libremente, con el tiempo, al pasar gastos líquidos y sólidos preestablecidos.
Un canal de sección geométrica constante con el fondo y las paredes rígidas y pendientes conocidas, como puede ser un canal revestido, o un río que corre a lo largo de una falla geológica en el contacto entre dos rocas resistentes, se dice que tiene un grado de libertad. Al pasar un gasto líquido Q, se establecerá un escurrimiento con un tirante de agua d, cuyo valor será constante siempre que escurra el mismo gasto. En otras palabras, un gasto dado pasará siempre con el mismo tirante.
Una corriente tiene dos grados de libertad cuando ajusta libremente dos variables geométricas, generalmente el tirante d, y la pendiente S. Esto ocurre, por ejemplo, cuando se tiene un canal con paredes rígidas, y el fondo está formado por material que puede ser arrastrado por el líquido. Si por
dicho canal se hace pasar en forma constante un gasto líquido y un gasto de sedimentos, la pendiente y el tirante se ajustarán, hasta que se establezca la continuidad en el transporte de sedimentos a lo largo de todo el tramo. Con ello se obtiene, para cada combinación de caudal líquido y caudal sólido, una combinación fija de tirante d y pendiente S. Cuando se dan las condiciones arriba descritas, se dice que la corriente tiene dos grados de libertad, y se requieren dos ecuaciones para obtener las dos variables indicadas. Las ecuaciones necesarias para determinar las variables mencionadas son: primero una de resistencia de flujo para canales de fondo móvil, como pueden ser las propuestas por Cruickshank - Maza, Engelund o Einstein. Segundo, una ecuación de transporte de sedimentos del fondo, como puede ser la de Meyer-Peter y Müller, Shields o Engelund. Las fórmulas de resistencia al flujo mencionadas toman en cuenta los efectos producidos por el material de fondo y las ondulaciones que en él se producen, pero no tienen en cuenta las pérdidas ocasionadas por otros efectos como vegetación, irregularidades de las márgenes o los cambios de geometría de las secciones transversales. Por ello, también se utilizan fórmulas como las que se mencionaron para corrientes de un grado de libertad, principalmente la de Manning, ya que, en su coeficiente se pueden considerarlos efectos mencionados.
Una corriente tiene tres grados de libertad cuando ajustan libremente tres variables geométricas, generalmente el tirante d, el ancho B, y la pendiente S. Este ajuste se logra en aquellos cauces cuyas márgenes y fondo están formados por un material susceptible de ser movido y transportado por la corriente. Si por un cauce o canal se hace pasar, durante mucho tiempo, un caudal líquido, y un caudal de sedimentos dados, se ajustaran las tres variables indicadas. Es decir, para cada combinación dada de caudal líquido y sólido que escurra por un solo cauce, se obtendrá una combinación fija de tirante d, ancho B y pendiente S.
Para algunos autores existe un cuarto grado de libertad. Este cuarto grado de libertad lo tienen los cauces con tres grados de libertad cuando llegan a desarrollar meandros.
La primera definición del gasto formativo fue hecha por Inglis, 1947, y lo definió como el gasto hipotético que de escurrir en forma constante produce las mismas dimensiones promedio, de la sección transversal y la pendiente, que la variación de los gastos reales. Maza, 1988, define al gasto formativo en término de su aplicación y menciona que “para estudiar la estabilidad de un río debe fijarse el valor de un gasto que represente el hidrograma anual. Este gasto, asociado con la estabilidad del cauce, se le llama formativo…”. Para su estimación, se presentan tres métodos, lo cuales requieren de mediciones de gasto solido referidos a su gasto líquido que lo produce, en otros casos solo hacen referencia al líquido. a) Gasto del cauce principal: considera que el gasto formativo es equivalente a la capacidad del cauce principal, o cauce “madre”, y se define como la capacidad máxima del cauce principal (CMCP) que transporta el río sin desbordar hacia las planicies (Inglis, 1947). Teóricamente es aplicable a las corrientes que escurren a lo largo de valles como llanuras de inundación.
largo plazo, sin ascenso (acreción) ni descenso (erosión). Al mismo tiempo, hablamos de cauce estable cuando su sección transversal (anchura y profundidad) permanece invariable a largo plazo y, finalmente, también cuando el recorrido del cauce en planta no cambia con el tiempo. Al hablar de estabilidad, estamos implícitamente considerando procesos lentos de cambio de un río, que se manifiestan a largo plazo. Por ello, tiene sentido relacionar la estabilidad con el llamado caudal dominante o formativo del cauce. Este caudal puede definirse como el que determina la forma y dimensiones del cauce principal, por donde circulan permanentemente las aguas, limitado por unas orillas. Para calcularlo, puede usarse bien un criterio hidrológico que lo relaciona con ciertos periodos de retorno, bien un criterio hidráulico que consiste en identificarlo con el caudal que cabe en el cauce principal realmente existente (o “caudal de cauce lleno”), bien un criterio de transporte sólido en el sentido de obtener un caudal equivalente que transportaría en régimen permanente el mismo volumen sólido que transporta el río, de caudal variable, en la realidad. Los métodos planteados en este trabajo para estudiar la estabilidad son de dos tipos:
