SEMINARIO SOBRE SEDIMENTOS Y EL USO DE DATOS

Jean Jacques PETERS Consultor OMM

CPROMMA-GASIR

Cuernavaca, Morelos - 29-31 de Octubre de 2002

Cada da, cada ao, en el Mundo tal como en Mxico, 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 hdricos !

CONTENIDO Introduccin Parte 1: Hidrulica fluvial Parte 2: Fluviomorfologa y geomorfologa Parte 3: La medicin del sedimento Parte 4: Procesamiento y uso de los datos Parte 5: Presentacin de los sitios piloto Parte 6: La necesidad de datos para ingeniera Parte 7: Estrategia para medir el sedimento Parte 8: Demostracin de medicin en el campo

INTRODUCCIN:

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 daos producidos a la infraestructura fluvial.

Falta todava entendimiento suficiente de los procesos fluviomorfolgicos/sedimentarios.

Introduccin

Se requiere una aproximacin potamolgica Potamologa del Griego potamos=ro y loga=ciencia para solucionar problemas de ingeniera fluvial y para mejorar el manejo integral de los recursos hdricos.

El objetivo de la consultora para sedimento fue inicialmente un rediseo de la red; sin embargo, el diagnstico hecho en 1998 fue que no existe una red de sedimento en Mxico, slo muestreo de azolve tipo carga de lavado.

Introduccin

Reemplazar los muestreadores actuales por nuevos no sera suficiente para resolver la cuestin: como obtener datos de sedimento tiles, 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 introduccin de nuevos aparatos, considerando el cuadro institucional actual.

Introduccin

El seminario debe ser aprovechado para explicar ms bien el asunto del sedimento, suscitar el inters 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 Mxico.

Finalmente, esperamos demostrar, con ejemplos en Mxico y afuera, de que modo datos de sedimento sirven para disear y para el manejo de obras en ingeniera fluvial.

CONTENIDO Introduccin Parte 1: Hidrulica fluvial Parte 2: Fluviomorfologa y geomorfologa Parte 3: La medicin del sedimento Parte 4: Procesamiento y uso de los datos Parte 5: Presentacin de los sitios piloto Parte 6: La necesidad de datos para ingeniera Parte 7: Estrategia para medir el sedimento Parte 8: Demostracin de medicin en el campo

Hidrulica fluvial Introduccin

Hidrulica y transporte de sedimento:

El sedimento se mide usualmente con el aforo lquido para obtener un gasto slido.

En ciertos casos, el dato de sedimento se colecta como indicador de calidad del agua (principalmente la parte carga de lavado).

En hidrulica fluvial, el sedimento es, con el agua, parte de un sistema bi-fasico; participa en la dinmica morfolgica de los cauces.

El sedimento es un elemento importante en la degradacin de nuestro medio-ambiente.

Hidrulica fluvial Introduccin Contexto geomorfolgico y composicin

Contexto geomorfolgico y composicin del slido

La mayor parte de los sedimentos vienen de la transformacin de rocas; la geologa de la cuenca determina el tipo de mineral trado por los ros.

En las cuencas altas, en las montaas, la transformacin de las rocas produce generalmente material de gran tamao, aunque esa regla tiene bastante excepciones.

A parte de los minerales, restos vegetales forman parte del slido trado por las aguas.

Contexto geomorfolgico y composicin del slido

La erosin, el transporte y la sedimentacin de las partculas slidas dependen de varios factores: su dimensin, su densidad, su forma, ...

La composicin mineralgica es otro factor importante, en el comportamiento de los slidos en contacto con substancias disueltas; e.g., el fenmeno de floculacin de los ms finos (alumino-silicatos y coloides).

Existe una clasificacin estndar para el tamao de las partculas.

Debajo de cierto tamao interviene la cohesin.

Contexto geomorfolgico y composicin del slido

Milmetros Milmetros Micrones Tyler EstndardE.U.A. Categora

4000 - 2000 piedra redondeada muy grande2000 - 1000 piedras redondeada grande1000 - 500 piedra redondeada mediana500 - 250 piedra redondeada pequea250 - 130 canto rodado grande130 - 64 canto rodado pequeo64 - 32 grava muy gruesa32 - 16 grava gruesa16 - 8 2 1/2 grava mediana8 - 4 5 5 grava fina4 - 2 9 10 grava muy fina2 - 1 2.00 - 1.00 2000 - 1000 16 18 arena muy gruesa1 - 1/2 1.00 - 0.50 1000 - 500 32 35 arena gruesa

1/2 - 1/4 0.50 - 0.25 500 - 250 60 60 arena mediana1/4 - 1/8 0.25 - 0.125 250 - 125 115 120 arena fina1/8 - 1/16 0.125 - 0.062 125 - 62 250 230 arena muy fina

1/16 - 1/32 0.062 - 0.031 62 - 31 limo grueso1/32 - 1/64 0.031 - 0.016 31 - 16 limo mediano1/64 - 1/128 0.016 - 0.008 16 - 8 limo fino

1/128 - 1/256 0.008 - 0.004 8 - 4 limo muy fino1/256 - 1/512 0.004 - 0.0020 4 - 2 arcilla gruesa1/512 - 1/1024 0.0020 - 0.0010 2 - 1 arcilla mediana

1/1024 1/2048 0.0010 - 0.0005 1 - 0.5 arcilla fina1/2048 1/4096 0.0005 - 0.00024 0.5 - 0.24 arcilla muy fina

Dimensiones de las partculas Nmero de aberturas enel tamiz, por pulgada

Mat

eria

l gra

nula

rM

ater

ial c

ohes

ivo

Contexto geomorfolgico y composicin del slido

Comentarios: Expertos no se acuerdan sobre la definicin

del sedimento y de las caractersticas esenciales de esto a considerar en estudios.

En muchos estudios se requerira estudios petrogrficas para conocer el origen de las partculas. (ver caso del sitio piloto Grijalva)

Muy pocos ingenieros hidrulicos tienen suficiente inters o conocimiento en la geologa, la petrografa y la mineraloga.

Hidrulica fluvial Introduccin Contexto geomorfolgico y composicin Carga slida y mecanismos de transporte

Carga slida y mecanismos de transporte

La norma ISO presenta una clasificacin de cargas y de modos de transporte del sedimento.

Estudios muestran que esta clasificacin no se aplica a todos los ros, tal como en ros arenosos.

Carga slida y mecanismos de transporte

La mayora de las teoras consideran de forma simplista que la composicin del material slido transportado por los ros es sencilla, y no toman en cuenta la distribucin de la granulometra, tampoco la variabilidad de la densidad o de la composicin mineralgica.

Las teoras reducen la complejidad de los procesos para poder utilizar frmulas y modelos simples.

Faltan suficientes pruebas de campo para averiguar las teoras.

Carga slido y mecanismos de transporte

Comentarios: Mxico tiene una gran variedad de ros, con

ambientes fluviales y sedimentos bastante diferentes (ver los sitios piloto elegidos en el proyecto).

Los varios problemas de ingeniera fluvial y de manejo de sedimento en los sistemas hdricos necesitan una aproximacin cuidadosa, con una visin crtica de las teoras (ver sitios piloto).

Se recomienda en Mxico, antes de empezar con estudios y modelos, organizar investigacin aplicada sobre los procesos.

Hidrulica y Transporte de Sedimento Introduccin Contexto geomorfolgico y composicin Carga slida y mecanismos de transporte Inicio del movimiento de las partculas

Inicio del movimiento de las partculas

El transporte del sedimento se inicia bajo ciertas condiciones del flujo, pero el mecanismo exacto se desconoce todava.

El proceso del transporte slido es en esencia estocstico, pero usualmente tratado como determinstico.

Investigadores intentaron de relacionar el inicio del movimiento de las partculas con algunas variables hidrulicas, tales como la velocidad o la fuerza de arrastre.

La turbulencia es un factor mal conocido.

Inicio del movimiento de las partculas

Una escuela relaciona el inicio del movimiento con una velocidad del flujo.

La primera relacin fue la de Hjulstrom (1935), utilizando la velocidad al fondo; esta no puede determinarse fcilmente, existe una variante usando la velocidad promedia.

La relacin de Hjulstrom es muy prctica para dimensionar obras tales como tanques de sedimentacin, pero no se recomiendala para estimar, en los ros, el gasto crtico para iniciar el movimiento del fondo.

Inicio del movimiento de las partculas

Velocidades crticas para sedimento quartzo en funcin del dimetro promedio

Inicio del movimiento de las partculas

Otra escuela utiliza como parmetro la fuerza de arrastre, lo que es ya ms lgico para un proceso dinmico.

Los intentos para utilizar directamente la fuerza de arrastre no han sido muy exitosas, y fue finalmente Shields quin obtuvo xito, relacionando parmetros no-dimensionales: la fuerza de arrastre y un nmero de Reynolds Re* para la partcula.

El diagrama de Shields es el ms usado - y ms recomendado (existe en diferentes versiones).

Inicio del movimiento de las partculas

Relacin de Shields

Inicio del movimiento de las partculas

Comentarios: No hay todava una sola teora universal

para la condicin del inicio del transporte. En vez de la velocidad o de la fuerza de

arrastre, habra que buscar una formula utilizando el poder disponible en el flujo

el poder es un trabajo (para mover une partcula 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 definicin de la fuerza de arrastre.

Hidrulica y Transporte de Sedimento Introduccin Contexto geomorfolgico y composicin Carga slida y mecanismos de transporte Inicio del movimiento de las partculas Resistencia al flujo ( rugosidad ?)

Resistencia al flujo

Las teoras sobre la resistencia al flujo en canales de fondo mvil han sido desarrolladas con base en ensayos en laboratorio.

Una primera clasificacin de las formas del lecho fue elaborada en el laboratorio de Fort Collins (Colorado State University, EUA) desde los aos cincuenta.

Los pocos estudios con mediciones de campo han mostrado los lmites de las teoras.

Resistencia al flujo

No hay todava frmulas 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, ms, al desequilibrio entre la capacidad de transporte de sedimento y la disponibilidad del slido.

Adems, el fondo se adapta con cierto retraso, induciendo efectos de histresis, lo que complica el anlisis de las observaciones (de campo)

Resistencia al flujo

Risos (a) Risos sobre dunas (b) Dunas (c) Dunas suavisadas (d) Fondo plano (e) Antidunas (f) Antidunas con rompi-

miento de la onda (g) Rpidos y remansos (h)

Clasificacin de formas del lecho con base en resultados de los estudios en canales de laboratorio de diferentes tamaos y con varios materiales slidos (Simons et al., Fort Collins, 1966)

Resistencia al flujo

Relacin entre la forma del lecho, el poder del flujo por superficie unitaria y el dimetro de cada medio de las partculas slidas.

Los risos no existen para partculas de ms que 0.65 mm.

Resistencia al flujo

La resistencia al flujo (n de Manning): aumenta en el rgimen inferior (risos hasta dunas), cae en la transicin (dunas suavisadas y fondo plano) aumenta nuevamente en el rgimen superior

(antidunas hasta rpidos & remansos)

n(Manning)

Resistencia al flujo

Comentarios: Falta todava bastante entendimiento en los

procesos de formacin de formas del lecho y de su relacin con el flujo y el transporte de sedimento.

En muchos estudios se utilizan prediccin de formas del lecho y de resistencia al flujo (rugosidad), aunque estas teoras no han sido confirmadas por estudios de campo.

Hidrulica y Transporte de Sedimento Introduccin Contexto geomorfolgico y composicin Carga slida y mecanismos de transporte Inicio del movimiento de las partculas Resistencia al flujo ( rugosidad ?) Frmulas de transporte de sedimento

Frmulas de transporte de sedimento

Hay bastante frmulas de transporte de sedimento : para transporte en suspensin, para transporte de fondo, para transporte total.

Hay las frmulas fsicas (basadas en principios de la fsica), y las experimentales (basadas en resultados de estudios de laboratorio).

No hay frmulas establecidas con base en resultados de campo.

Hay frmulas muy completas, aunque bastante complejas, tal como la de Einstein, basada en un aproximaciones fsicas.

Frmulas de transporte de sedimento

Pocas frmulas fueron fundadas en un razonamiento fsico desde conceptos de disponibilidad de energa y poder.

La aproximacin de Bagnold es un ejemplo de una buena tentativa para relacionar la capacidad de transporte slido al poder disponible en el flujo (hemos utilizada su frmula con bastante xito en varios ros).

Cabe notar que de manera general, frmulas han sido desarrolladas para aplicacin en condiciones particulares (ros de sierra o de planicie)

Frmulas de transporte de sedimento

Comentarios: No tenemos todava frmulas ideales, que

puedan servir en todas situaciones de ros. La aplicacin de frmulas diferentes llega

usualmente en resultados bastante diferentes (rangos de 1 a 100 no es excepcional)

Una conclusin odo frecuentemente, cuando los resultados del clculo no cumple con mediciones es que las mediciones no pueden hacerse con suficiente precisin!

Frmulas de transporte de sedimento

Ejemplo de comparacin de clculos por la ecuacin de Ackers & White con datos de ros de los E.U.A. (Cp/Co = Concentracin predicha / C observada)

Concentracin observada (en ppm)

Cp / Co

Rango de 100

Frmulas de transporte de sedimento

Comentarios: Nuestra experiencia es que algunas frmulas

cumplen ms bien que otras con buenas mediciones bien hechas.

Frmulas calculan la capacidad de transporte, y no el transporte real (resultando de esa capacidad y de la disponibilidad de sedimento).

La nica manera de elegir una frmula conveniente para un estudio fluvial es con las mejores posibles mediciones de transporte slido.

Hidrulica y Transporte de Sedimento Introduccin Contexto geomorfolgico y composicin Carga slida y mecanismos de transporte Inicio del movimiento de las partculas Resistencia al flujo ( rugosidad ?) Frmulas de transporte de sedimento La aplicacin de teoras en ingeniera fluvial

Cuestiones de aplicacin de las teoras

Resolver un problema de ingeniera fluvial requiere (1) el mejor entendimiento posible del funcionamiento dinmico del sistema fluvial (en general) y del transporte de sedimento (en particular), (2) buenos datos de campo y (3) la utilizacin de un conjunto de herramienta (tales como modelos matemticos o fsicos) adecuados al ambiente fluvial y al tipo de problema a resolver.

Adquirir datos confiables no est sencillo; utilizar modelos sin datos no est aceptable.

Cuestiones de aplicacin de las teoras

Sobre los datos de sedimento: el sedimento puede tener varias fuentes -

erosin de los suelos en el valle, derrumbes y deslizamientos, erosin de las mrgenes (antiguos depsitos) - de caractersticas muy diferentes (tamao de las partculas, densidad, ...)

Los procesos de transporte pueden producir una segregacin de la carga slida : material del lecho ms fino en estiaje que en avenidas, material ms fino sobre los bancos que en el canal activo, ...

Cuestiones de aplicacin de las teoras

Sobre el inicio del movimiento de las partculas En realidad, no existe un lmite bien claro

entre la inmovilidad y el movimiento de las partculas del lecho; es aspecto estocstico.

Tambin con caudales bajos, el flujo puede concentrarse en canales poco anchos, donde el sedimento se mueve, aunque un clculo dara inmovilidad; sin embargo, hay que estimar cual es la importancia de este movimiento para el problema que tiene.

Cuestiones de aplicacin de las teoras

Sobre el inicio del movimiento de las partculas Cuando el cauce tiene una gran variabilidad

en la granulometra del lecho, se complica el anlisis del inicio del movimiento.

A veces (en aspectos de fluviomorfologa), no tiene sentido medir transporte en aguas bajas cuando est dbil la contribucin, en esta poca, al transporte total y a los cambios de forma del lecho.

Existe un fenmeno de pavimento (armouring) que impide la erosin del lecho.

Cuestiones de aplicacin de las teoras

Sobre la resistencia al flujo (rugosidad) Observaciones en los ltimos aos confirman

nuestra opinin 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 ms factores que las formas del lecho (meandros, cimas)

La geometra del ro se adapta continuamente a los cambios de flujo, con cierto retraso.

Cuestiones de aplicacin de las teoras

Sobre la resistencia al flujo (rugosidad) La geometra del cauce adapta adems a los

cambios de gasto slido. Localmente, este gasto puede variar bastante

con los aportes (avenidas, derrumbes, erosiones de mrgenes), o con la variacin del caudal lquido (avenidas), lo que puede provocar ondas de sedimento (ver sitio piloto El Novillero) que puedan obstruir parcialmente el cauce y reducir la capacidad hidrulica.

Cuestiones de aplicacin de las teoras

Sobre las frmulas de transporte: La particin del transporte slido en dos

cargas (de suspensin y de transporte de fondo) es conveniente para el clculo, pero bastante artificial; puede aceptarse nicamente en algunos casos cuando el fondo est compuesto de material bastante grueso (tal como en el Ro Amacuzac).

En ros arenosos, no existe una separacin muy clara entre transporte de fondo y de suspensin (tal como en el Bajo Grijalva).

Cuestiones de aplicacin de las teoras

Sobre las frmulas de transporte: Curvas de gasto slido existen en algunos

casos (ros 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.

Adems, el sedimento puede acumularse durante temporalmente en una zona, para ser movilizado despus, en este caso es difcil establecer balances de sedimento.

Cuestiones de aplicacin de las teoras

Sobre las cargas slidas: Las cargas slidas medidas por muestreo en

ciertos ros no siempre corresponden a la clasificacin de la norma ISO.

En ros 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 morfologa - y por eso proponemos llamarla carga morfolgica (definicin que no se encuentra en las teoras).

Fin de la Parte Nociones de Hidrulica Fluvial

Dianummer 1 Cada da, cada ao, en el Mundo tal como en Mxico, 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 hdricos !CONTENIDOINTRODUCCIN: Porque este seminario ?IntroduccinIntroduccinIntroduccinCONTENIDOHidrulica fluvialHidrulica y transporte de sedimento:Hidrulica fluvialContexto geomorfolgico y composicin del slidoContexto geomorfolgico y composicin del slidoContexto geomorfolgico y composicin del slidoContexto geomorfolgico y composicin del slidoHidrulica fluvialCarga slida y mecanismos de transporteCarga slida y mecanismos de transporteCarga slido y mecanismos de transporteHidrulica y Transporte de SedimentoInicio del movimiento de las partculasInicio del movimiento de las partculasInicio del movimiento de las partculasInicio del movimiento de las partculasInicio del movimiento de las partculasInicio del movimiento de las partculasHidrulica y Transporte de SedimentoResistencia al flujoResistencia al flujoResistencia al flujoResistencia al flujoResistencia al flujoResistencia al flujoHidrulica y Transporte de SedimentoFrmulas de transporte de sedimentoFrmulas de transporte de sedimentoFrmulas de transporte de sedimentoFrmulas de transporte de sedimentoFrmulas de transporte de sedimentoHidrulica y Transporte de SedimentoCuestiones de aplicacin de las teorasCuestiones de aplicacin de las teorasCuestiones de aplicacin de las teorasCuestiones de aplicacin de las teorasCuestiones de aplicacin de las teorasCuestiones de aplicacin de las teorasCuestiones de aplicacin de las teorasCuestiones de aplicacin de las teorasCuestiones de aplicacin de las teorasFin de la ParteNociones de Hidrulica Fluvial