Caudal De Sedimentos

CAPÍTULO 13 CAUDAL DE SEDIMENTOS

13.1

Generalidades

Los sedimentos son transportados por las corrientes de agua de diferentes maneras. Las partículas granulares que constituyen el sedimento se pueden trasladar por saltos, rodadura, deslizamiento, sobre el fondo o cerca de él o pueden ser arrastrados fuera de su lugar y quedar en suspensión. El tipo de movimiento experimentado por las partículas depende de las características físicas (tamaño, forma, peso específico, etc.), de la composición granular del sedimento y de las condiciones de la corriente (velocidad, profundidad, pendiente de las superficies, etc.). Las diferentes fases del transporte de sedimento ocurren simultáneamente en las corrientes naturales y no hay una separación neta entre ellas. Por conveniencia, el caudal de sedimento en este análisis se divide en dos categorías: caudal de sedimentos en suspensión y caudal de arrastre de fondo. Este último consiste en el salto, rodamiento o deslizamiento de las partículas en el fondo o cerca de él. Este capítulo incluye orientaciones sobre la concentración de los datos del caudal de sedimentos. Para cada fase del transporte, el informe de hidrología operativo N' 29 contiene más detalles sobre este tema [ 1].

13.2

Selección del sitio

En la selección del sitio para medir el transporte de sedimentos se usan los mismos criterios que para la selección del sitio para medir el caudal de agua (secciones 11.2.1 y 12.2). 13.3 13.3.1

Medición del caudal de sedimentos en suspensión Muestreadores y aforadores "in situ"

Se utilizan muchos tipos de muestreadores de sedimentos en suspensión, por ejemplo: instantáneos, de botella, de bombeo, integradores, etc. Sin embargo, sólo algunos de ellos están diseñados para que la velocidad en la toma del muestreador sea igual a la velocidad de la corriente circundante. Esta particularidad es esencial para que las muestras obtenidas sean verdaderamente representativas del caudal de sedimentos en suspensión en el punto de la medición. Un muestreador bien diseñado se coloca frente a la corriente y su entrada se coloca aguas arriba de la zona de disturbio causada por la presencia del instrumento. En general se toman muestras instantáneas mediante muestreadores trampa, que consisten de un cilindro horizontal equipado con válvulas en los extremos que se pueden cerrar muy rápido para atrapar la muestra en cualquier momento y profundidad deseados. El simple muestreador de botella, bastante sencillo, puede ser tapado o tener una entrada de diámetro variable, hasta su abertura total. Tan pronto como la botella se abre y el aire dentro de ella es desplazado por la muestra, se producen burbujas en la entrada, haciendo lento el proceso de llenado. Por lo tanto, el muestreador de botella no es realmente instantáneo. El muestreador de bombeo se coloca al borde del bote que efectúa la medición y succiona la mezcla de agua y sedimento a través de un caño o de una manguera, cuya entrada está situada en el punto donde se requiere tomar la muestra. Regulando la velocidad de entrada, el operador puede obtener una muestra representativa de la concentración del sedimento en el punto de medición. El muestreador integrador consiste en un aparato metálico de líneas aerodinámicas provisto de aletas de deriva para orientarlo en la corriente. Una tobera de toma de diámetro variable proyecta hacia el interior la corriente desde la cabeza del muestreador. Un tubo de salida, apuntando aguas abajo, permite la salida del aire del recipiente. Para iniciar y detener el proceso del muestreo el operador dispone de un mecanismo de válvulas incorporadas a la cabeza del aparato. Un método relativamente nuevo de determinación in situ de la concentración de los sedimentos suspendidos es la aplicación de los adoradores ópticos o nucleares. El principio de trabajo de estos instrumentos es que la luz visible de los rayos X, emitidos por una fuente de intensidad constante, es disipada y/o absorbida por las partículas del sedimento en suspensión. La reducción de la intensidad, medida por un detector fotoeléctrico o nuclear situado a una distancia fija de la fuente, es proporcional a la concentración del sedimento, siempre que las otras características del agua y del sedimento (químicas, composición mineral, etc.) no varíen. Todos los tipos de muestreadores de sedimentos suspendidos deben ser calibrados, remolcándolos a velocidad conocida en aguas tranquilas y sosteniéndolos en una corriente de agua de velocidad conocida. Los muestreadores ópticos y nucleares deben ser calibrados mediante muestreos simultáneos y repetidos en canales cargados de sedimentos y en ríos naturales.

13.3.2

Métodos de medición

Las muestras de los sedimentos suspendidos en los ríos se toman en las secciones transversales de medición de caudales, pero no necesariamente en las verticales de medición de la velocidad. En lagos, las ubicaciones de las verticales de muestreo se distribuyen sobre una cierta área, debido a que en este caso las mediciones están dirigidas, generalmente, a la determinación de la distribución de la concentración del sedimento en el tiempo y en el espacio. Los muestreadores se suspenden en el agua mediante una varilla o un alambre. a) En ríos, hay dos métodos que dan resultados comparables: b) la sección transversal elegida se divide de tres a diez subsecciones de aproximadamente igual caudal. En cada vertical que pasa por el centro de cada subsección, se toma una muestra de sedimentos por integración en la vertical (sección 17.2.3.1), descendiendo el muestreador desde la superficie del río hasta el fondo y viceversa, a una velocidad uniforme. Se obtiene así una muestra ponderada por el caudal para cada sección; c) la anchura del río se divide de seis a 10 verticales separadas a igual distancia y en cada vertical se toma una muestra de sedimentos por integración, usando la misma velocidad. De esta manera, todas las muestras pueden componerse en una única muestra representativa ponderada por el caudal [2]. Usando un muestreador de punto, se toman muestras en puntos espaciados uniformemente en cada vertical mencionada antes y las concentraciones de sedimentos obtenidas se ponderan por la relación de la velocidad en el punto de medición a la velocidad media en la vertical. Este procedimiento puede ser combinado en la práctica con el método de la sección media para la medición del caudal (sección 11.2.4) porque coinciden las verticales donde se miden las velocidades y donde se toman las muestras. Los adoradores de sedimentos ópticos y nucleares se pueden usar tanto para las mediciones en puntos como por integración, siempre que las señales eléctricas, dadas por el detector y proporcionales a la intensidad de la luz o de los rayos X, sean resumidas por un contador. El período usual de conteo es de tres a cinco minutos, según las características estadísticas del conteo por un instrumento particular.

13.3.3

Determinación de la concentración de sedimentos

Las muestras de los sedimentos en suspensión en general se procesan y analizan en laboratorios especiales, donde después de un tiempo de sedimentación de uno a dos días, el agua es cuidadosamente drenada fuera del recipiente, el sedimento que queda se seca en una estufa a una temperatura de más o menos 110 oC y luego se pesa. Si el sedimento se separa por evaporación, se debe efectuar una corrección por los sólidos disueltos. La concentración de los sólidos en suspensión se -3 -3 expresa en gm o en kgm . Para obtener en cada muestra cantidades de sedimentos medibles, se recomiendan los volúmenes de muestreo contenidos en la tabla que se presenta a continuación. Teniendo en cuenta que en muchos países los muestreadores de sedimento han sido normalizados y tienen la capacidad de un litro o menos, en esos casos el muestreo debe ser repetido hasta obtener el volumen de la muestra de sedimento requerido [2]. Las intensidades de la luz o de los rayos X, indicadas por las sondas sumergidas fotoeléctricas o nucleares de los adoradores in situ, se dividen por la intensidad medida en aguas limpias, y la concentración de sedimentos correspondiente a esta relación se lee de las curvas de calibración de dichos instrumentos.

13.3.4

Cálculo del caudal de sedimentos en suspensión

Para el primer método de cálculo de la concentración (sección 13.3.2), la concentración media ponderada de los sedimentos 3

Cs, en kg m para toda la sección transversal se calcula como sigue:

13.3.5

Registro continuo del caudal de sedimentos en suspensión

Un registro continuo del caudal de los sedimentos en suspensión se puede calcular a partir de un registro de caudales de río y de muestras sistemáticas de la concentración de los sedimentos en suspensión. Las muestras se toman diariamente en los períodos de estiaje y de aguas medias y más frecuentemente en períodos de crecida. La información más importante concerniente a la variación con respecto al tiempo de la concentración y sus valores máximos se puede obtener por registro continuo de las señales suministradas por los adoradores fotoeléctricos o nucleares de los sedimentos en suspensión durante los períodos de crecidas. El máximo de la concentración generalmente precede al máximo del caudal y formas similares se pueden observar en la curva de caudal de agua en función del caudal de sedimento y la curva nivel-caudal durante las crecidas. Los registros de muestras u observaciones se toman en una vertical en la sección transversal, preferiblemente usando el procedimiento por integración en la vertical. La relación entre la concentración en esta vertical y la concentración media en la sección se debe establecer mediante mediciones particulares de la distribución del sedimento en la sección transversal, como se indicó en la sección 13.3.2. Esta relación no es necesariamente lineal y constante en todo el año, ni en toda la gama de concentración del sedimento.

13.4 13.4.1

Medición del caudal de arrastre de fondo Instrumentos

La medición sobre el terreno del caudal de arrastre de fondo es difícil debido a la naturaleza estocástica del movimiento del sedimento y a que el fenómeno se produce en forma de ondas de fondo, dunas y barras. Ningún aparato resulta completamente adecuado para retener del sedimento tanto las partículas más grandes como las más pequeñas con la misma eficiencia, permaneciendo en una posición estable y orientado hacia la corriente sobre el fondo del río, sin perturbar el flujo natural y el movimiento del sedimento. Los muestreadores disponibles pueden ser clasificados en tres tipos: de cesta, de cazoleta y de diferencia de presión [31. Los muestreadores de tipo cesta están hechos, por lo general, de mallas y tienen una abertura en la parte orientada contra la corriente por la que se desliza la mezcla de agua y el sedimento. La malla deja pasar el sedimento en suspensión, pero retiene el sedimento que se desliza a lo largo del lecho.

Los muestreadores de tipo cazoleta suelen ser de sección longitudinal en forma de cuña y se instalan de modo que la arista de la cuña corte la corriente; la cazoleta contiene detectores o ranuras para retener los materiales en movimiento. Los muestreadores basados en el principio de la diferencia de presión están diseñados para producir en la salida del instrumento un descenso de presión lo suficientemente importante para contrarrestar las pérdidas de energía y asegurar así una velocidad de entrada igual a la de la corriente en condiciones normales. Un diafragma perforado dentro del instrumento obliga a la corriente a hacer caer su sedimento en una cámara de retención y luego salir a través de una salida superior. Como existen varias incertidumbres en la realización del muestreo, es necesario determinar un coeficiente de eficiencia para cada tipo de muestreador. La calibración se realiza generalmente en un canal de laboratorio, donde el caudal de material de fondo puede ser medido directamente en un pozo en el extremo del canal, aunque las condiciones de transporte uniforme en la anchura y a lo largo del canal son difíciles de mantener. Incluso en condiciones favorables, los factores de eficiencia no son fáciles de determinar porque varían según el tamaño de los granos, el grado de llenado del muestreador, etc. En todo caso, una eficiencia del 60 al 70 por ciento puede ser considerada como satisfactoria.

13.4.2

Método de medición

El caudal de arrastre de fondo se determina a partir de la cantidad de sedimentos retenidos por unidad de tiempo en un muestreador colocado en uno o varios puntos del fondo del río. Generalmente, se colocan de tres a diez puntos de medición en una sección transversal. En la determinación de la distribución de los puntos donde se toman las muestras, cabe señalar que, excepto en los períodos de crecida, el transporte del material de fondo se produce solamente en una parte del río. La inclusión de una medición cero en el cálculo del caudal de material de fondo, puede conducir a incertidumbres en el resultado, aun cuando el punto de muestreo pueda estar situado entre dos fajas móviles en el fondo del río. Las incertidumbres se pueden producir también si el transporte medido se extiende a un segmento de la sección transversal donde el sedimento se desplaza poco o nada. En ríos con lecho de grava, cuya mayor característica es el movimiento parcial del material del lecho, el uso de diferentes tipos de detectores acústicos puede ayudar a resolver este problema. Dichos detectores, sumergidos en las cercanías del lecho, captan el sonido del golpeteo de la grava en movimiento, indicando el movimiento del material del lecho en ese punto particular; además, se puede relacionar cualitativamente la intensidad del sonido y el transporte del sedimento. Los muestreadores se bajan hasta el fondo y se mantienen en posición mediante una varilla o un alambre. La duración del período en que se saca la muestra es generalmente de pocos minutos, según las dimensiones del muestreador y la intensidad Los muestreadores de tipo cazoleta suelen ser de sección longitudinal en forma de cuña y se instalan de modo que la arista de la cuña corte la corriente; la cazoleta contiene deflectores o ranuras para retener los materiales en movimiento. Los muestreadores basados en el principio de la diferencia de presión están diseñados para producir en la salida del instrumento un descenso de presión lo suficientemente importante para contrarrestar las pérdidas de energía y asegurar así una velocidad de entrada igual a la de la corriente en condiciones normales. Un diafragma perforado dentro del instrumento obliga a la corriente a hacer caer su sedimento en una cámara de retención y luego salir a través de una salida superior. Como existen varias incertidumbres en la realización del muestreo, es necesario determinar un coeficiente de eficiencia para cada tipo de muestreador. La calibración se realiza generalmente en un canal de laboratorio, donde el caudal de material de fondo puede ser medido directamente en un pozo en el extremo del canal, aunque las condiciones de transporte uniforme en la anchura y a lo largo del canal son difíciles de mantener. Incluso en condiciones favorables, los factores de eficiencia no son fáciles de determinar porque varían según el tamaño de los granos, el grado de llenado del muestreador, etc. En todo caso, una eficiencia del 60 al 70 por ciento puede ser considerada como satisfactoria.

13.4.2

Método de medición

El caudal de arrastre de fondo se determina a partir de la cantidad de sedimentos retenidos por unidad de tiempo en un muestreador colocado en uno o varios puntos del fondo del río. Generalmente, se colocan de tres a diez puntos de medición en una sección transversal. En la determinación de la distribución de los puntos donde se toman las muestras, cabe señalar que, excepto en los períodos de crecida, el transporte del material de fondo se produce solamente en una parte del río. La inclusión de una medición cero en el cálculo del caudal de material de fondo, puede conducir a incertidumbres en el resultado, aun cuando el punto de muestreo pueda estar situado entre dos fajas móviles en el fondo del río. Las incertidumbres se pueden producir también si el transporte medido se extiende a un segmento de la sección transversal donde el sedimento se desplaza poco o nada. En ríos con lecho de grava, cuya mayor característica es el movimiento parcial del material del lecho, el uso de diferentes tipos de detectores acústicos puede ayudar a resolver este problema. Dichos detectores, sumergidos en las cercanías del lecho, captan el sonido del golpeteo de la grava en movimiento, indicando el movimiento del material del lecho en ese punto particular; además, se puede relacionar cualitativamente la intensidad del sonido y el transporte del sedimento. Los muestreadores se bajan hasta el fondo y se mantienen en posición mediante una varilla o un alambre. La duración del período en que se saca la muestra es generalmente de pocos minutos, según las dimensiones del muestreador y la intensidad del transporte de sedimento. En la gama de velocidades bajas de la corriente cerca del fondo, las fuerzas hacia aguas abajo son reducidas y el muestreador tiende a introducirse dentro de la corriente de fondo y excavar el material del fondo que no está siendo transportado. Esto también puede ocurrir durante un ascenso abrupto o no cauteloso del muestreador. Las mediciones se deberán realizar en varios caudales del río para obtener una relación entre el caudal del río y el caudal del material del fondo. Debido a que el transporte del sedimento es un mecanismo muy complejo y de naturaleza aleatoria y debido también a los errores al tomar las muestras, una única muestra tomada en un punto de medición puede proporcionar una estimación muy incierta del verdadero transporte del material del fondo. Por lo tanto, en cada punto se deben repetir las tomas de muestras. El número de repeticiones depende de las circunstancias locales; sin embargo, análisis estadísticos realizados sobre datos del terreno con más de 100 repeticiones, demuestran que el caudal de arrastre de fondo sólo puede medirse con una exactitud limitada, salvo que se tomen un número impracticable de muestras en cada punto. 13.4.3

Cálculo del caudal de material de fondo

El sedimento recogido con el muestreador es secado y pesado. El peso seco, dividido por el tiempo empleado para la medición y por la anchura del muestreador, da el caudal del arrastre de fondo por unidad de anchura del río en el punto de medida qt,. Basándose en los datos obtenidos de los puntos donde se realizaron las muestras, se puede construir una curva que muestre la distribución de qb en toda la anchura del río. La superficie comprendida entre dicha curva y la línea de la superficie del agua representa el caudal total diario del material de fondo para toda la sección transversal Qb. El valor de Qb se puede también calcular a partir de los datos de los qb medidos de la siguiente manera:

donde el valor de Qb es en toneladas/día, qb en kg s-1 m-1 y x en metros. La variable x representa la distancia entre los puntos en los cuales se extrae la muestra o entre un punto extremo o el borde de la superficie del agua, o el de la parte móvil del fondo del río. La existencia de presas que retienen la mayor parte de los sedimentos transportados por los tramos aguas arriba del río ofrece una posibilidad de estimar el caudal de sedimentos, anual o estacional, mediante la sucesiva inspección de perfiles convenientemente seleccionados del embalse y calcular el volumen ocupado por el sedimento retenido. Este método, combinado con tomas de muestras periódicas de los sedimentos en suspensión aguas arriba y aguas abajo de la presa, puede proporcionar una estimación adecuada del caudal de arrastre.

13.4.4

Registro continuo del caudal de arrastre

Un registro continuo del caudal de arrastre de fondo se puede obtener en relación con el caudal del río, o con cualquier otras variables hidráulicas de las que se tengan registros. Se puede admitir que esta relación es aproximadamente lineal para los caudales de agua por encima del valor límite correspondiente al comienzo del movimiento del sedimento, debido a que la fuerza de tracción de la corriente aumenta en relación directa con el incremento del caudal del río. El transporte de material de fondo es de gran interés en todas las investigaciones concernientes a las variaciones del lecho del río.

Referencias l. Organización Meteorológica Mundial, 1989: Manual on Operational Methods for the Measurement of Sediment

Transport. Informe de hidrología operativo No. 29, OMM-N'686, Ginebra. 2. Organización Internacional de Normalización, 1977: Liquid Flow Measurement in Open Channels: Methods of Measurement of Suspended Sediment ISO 4363, Ginebra. 3.Organización Internacional de Normalización, 1977: Liquid Flow Measurement in Open Channels: Bed Material Sampling. ISO 4364, Ginebra.