RELACIÓN ENTRE EROSIÓN MEDIA Y TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN UNA CUENCA DE ALTA PENDIENTE

8/17/2019 RELACIÓN ENTRE EROSIÓN MEDIA Y TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN UNA CUENCA DE ALTA PENDIENTE

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1er CONGRESO IBEROAMERICANO SOBRE SEDIMENTOS Y ECOLOGÍAQUERÉTARO, QUERÉTARO MÉXICO, 21-24 JULIO 2015

RELACIÓN ENTRE EROSIÓN MEDIA Y TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN UNA

CUENCA DE ALTA PENDIENTE Mendoza López Francisco Alonso, García Aragón Juan Antonio, Salinas Tapia Humberto

Centro Interamericano de Recursos del Agua, Universidad Autónoma del Estado de MéxicoCarretera Toluca-Ixtlahuaca km 14.5, Unidad San Cayetano, Toluca, Estado de México, México. C.P. 50200

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1.- INTRODUCCIÓN Erosión en cuencas

Dentro de los procesos de degradación del suelo, la erosión esel proceso que afecta en mayor medida al medio ambiente y, por su parte la erosión hídrica causada por lluvias yescurrimientos es el fenómeno más significativo. Dichaerosión reduce la productividad de las zonas de cultivo y produce pérdida de suelo, el cual es considerado como unrecurso no renovable.

En la naturaleza, los procesos de erosión y transporte desedimentos se presentan de manera normal equilibrándose; por un lado los procesos de producción y perdida de suelo enlas cuencas y por el otro los procesos de transporte ysedimentación en los cauces. Sin embargo, la modificación delentorno natural debido a las actividades antrópicas hamodificado estos equilibrios acentuando tanto la erosión de lascuencas como la capacidad de transporte de los cauces.

Estos desequilibrios generan grandes cantidades de sedimentoafectando el medio ambiente y la infraestructura hecha por elhombre. Además, anualmente es necesario dedicar grandesrecursos económicos al desazolve de canales, ríos, embalses,estuarios, puertos, etc. (Gracia, 2000).

La tarea de controlar o reducir los procesos erosivos del suelo,se basa en conocer el efecto de la precipitación pluvial sobrelos diversos terrenos y determinar cuáles son los suelos mássusceptibles a la erosión a fin de definir estrategias específicas para su control (Muñoz, 2006). Por otro lado, la capacidad decuantificar y predecir el transporte de sedimentos permiteimplementar acciones que reduzcan la descarga de los mismosen cauces e infraestructura hidráulica.

Ecuación Universal de Pérdida de SueloRevisada

La Ecuación universal de pérdida de suelo revisada ( RUSLE por sus siglas en inglés) es un criterio empírico que permitecuantificar la pérdida promedio anual de suelo en cuencas.

RUSLE contiene la estructura de su predecesor, la EcuaciónUniversal de Pérdida de SueloUSLE (Wischmeier y Smith,1978).

La pérdida de suelo estimada con RUSLE, es la cantidad desedimento perdido por el perfil del suelo, no la cantidad desedimento que sale de la cuenca. RUSLE permite no sóloestimar el promedio de la pérdida de suelo anual para lascondiciones existentes, si no también simular los cambios deuso de suelo, de clima y/o cambios en las prácticas deconservación para estimar como afectarán todos estos cambiosla pérdida de suelo (Martínez, 2010). Su estructura se muestraen la ecuación 1.

(1)Donde : E es la pérdida de suelo por unidad de área enton/(ha*año), R es el factor de erosividad por precipitación pluvial en (MJ*mm)/(ha*hr)*año, K es el factor deerodabilidad del suelo en (ton*hr) / (MJ*mm), L es el factorde longitud de pendiente (adim), FS es el factor de gradientede pendiente (adim),CS es el factor de coberturas de suelo ymanejo de cultivos (adim) y, P es el factor del método decontrol de erosión (adim).

Al analizar los factores de RUSLE , podemos identificaralgunos que pueden ser manipulables a fin de aminorar la pérdida de suelo (factorCS y P ); y aquellos que no pueden sermanipulables y representan la erosión potencial ( R, K, L, FS ).

El factor de erosividad es el índice de erosión de la precipitación pluvial y representa el potencial erosivo de lalluvia. Se puede calcular como el producto de la energía

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cinética de la lluvia y su intensidad máxima durante 30minutos (Hershfield, 1962). La energía total para una tormentase calcula usando las ecuaciones 2, 3 y 4 (USDA, 2003).

Rj ∑ EI ii= J ( 2)

Donde : R j es la erosividad durante el año de la estación enestudio en (MJ*mm)/(ha*hr)*año y J es el número detormentas por año.

EIj PIj ej (3)Donde : EI 30 es la erosividad de tormentas individuales en(MJ*mm)/ (ha*hr), PI 30 es la precipitación máxima registradaen el año para una duración de treinta minutos con un periodode retorno de 2 años en mm y j es la estación en estudio.

0.29(1 0.72 − . 8) (4)Donde : e es la unidad de energía en MJ/(ha*mm),i es laintensidad de lluvia para una duración de treinta minutos conun periodo de retorno de dos años en mm/hr .

Por su parte, el factor de erodabilidad del suelo K representa lafacilidad del suelo a erosionarse dependiendo de su estructura, permeabilidad, tamaño de las partículas, contenido de materiaorgánica, contenido de arcilla, limo y arena. Los suelosásperos, como los suelos arenosos, tiene el valor de K bajodebido al bajo escurrimiento. Los suelos con alto contenido desedimentos finos son en su mayoría erosionables (Wanielista,1993). Kirkby y Morgan (1984) recomiendan el uso de una

tabla que especifica los valores del factor de erosividad K paraun cierto contenido de materia orgánica y clase de textura delsuelo.

El factorCS representa la relación de la pérdida del suelo parael mismo material, pendiente y precipitación pluvial a partir decondiciones específicas de cobertura. El material de coberturade la superficie del suelo intercepta las gotas de lluvia yretarda el escurrimiento superficial; además, la vegetación proporciona una protección al suelo pues favorecen eldepósito de sedimentos. ElCS varía desde un mínimo de0.001 para cubiertas forestales densas hasta un valor de 1.0 para el suelo desnudo. Wichmeir y Smith (1978) hacenreferencia a una tabla que especifica el valor deCS para uncierto tipo de protección vegetal, porcentaje de cobertura ydesarrollo de raíces de la vegetación. Adicionalmente, laUSDA (2003) maneja una tabla en la que especifica el valordel factor de manejo de cultivo en función del tipo de cultivoque se realiza en la zona y el nivel de productividad delmismo.

El factor del método de control de erosión P representa las prácticas mecánicas de conservación del suelo (delineación decontornos, cultivo en franjas de contorno, terraceo, zanjas deinfiltración, etc). Si un suelo está cultivado y expuesto alluvias erosivas, esta erosión debe ser controlada con prácticas para reducir la escorrentía sobre el terreno. El valor de P puede variar de 0 a 1, siendo los valores cercanos a 0 los querepresentan gran eficiencia en las prácticas de control deerosión y los valores cercanos a 1 representan poca eficienciaen el control de la erosión. La USEPA (2005) determina elvalor P según el tipo de práctica de conservación de suelos.

Los efectos de la longitud ( L) y del gradiente de la pendiente( FS ) en RUSLE a menudo se evalúan como un factor único, elfactor topográfico LS (Ecuación 5).

22.130.065+0.045 +0.0065 (5)

Donde : S es la pendiente media (adim), xm es la longitud de la

pendiente en m y m un exponente empírico (Wischmeier ySmith, 1978) que vale 0.5 siS ≥ 5%, 0.4 si 3%≤ S < 5%, 0.3 si1% ≤ S < 3% y 0.2S < 1%.

Coeficiente de entrega de sedimentos

La producción anual de sedimento es un dato necesario para lasolución de problemas relacionados con el transporte desedimentos. Muchos factores afectan temporal yespacialmente la deposición de sedimentos producidos por unacuenca. El coeficiente de entrega de sedimentos (CES) oSediment Delivery Ratio (SDR) se utiliza para ajustar laerosión total estimada y compensarla por la deposición desedimentos durante el transporte y estimar el aporte desedimentos en un punto específico de la cuenca (Ecuación 6).Lo anterior indica que no todo el sedimento producido por laerosión superficial ingresa a la red hidrográfica y estransportado por los cursos de agua (Martínez, 2010).

∗ (6)Donde : AS es el aporte de sedimentos de una cuenca enton/(ha*año), y CES es el coeficiente de entrega de sedimentos(adim).

El valor del CES depende de la distancia del área de análisis al

cuerpo principal de agua. El CES será menor si las zonas de producción de sedimentos se encuentren más alejadas de loscursos de agua, además su valor puede ser disminuido porgrandes áreas de drenaje, suelos de textura gruesa, topografíasuave y la presencia de erosión laminar y de canalillos sobre laerosión en cárcavas (Hairston, 2001). Normalmente ladeterminación del CES se realiza en función de lascaracterísticas de una cuenca, principalmente el área de aporte.


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Transporte de sedimentos

El transporte de sedimentos producido por el agua que circulaa través de ríos y canales es un factor importante en la planeación, el diseño y el funcionamiento de los proyectos degestión de agua (OMM, 1994).

En cauces de alta pendiente o torrentes la pendientelongitudinal suele ser mayor al 6% (Martín, 2003) y eltransporte de material de fondo constituye la parte mássignificativa de la cantidad total de sedimentos que setransportan hacia aguas debajo de los cauces.

En situaciones normales de flujos cargados de sedimentos,estos son transportados por el flujo, teniendo poca influenciaen el comportamiento del mismo, es decir, el flujo secomporta esencialmente como un fluido newtoniano, loscuales pueden ser estudiados y modelados por la hidráulicafluvial.

Por otro lado, los cauces de alta pendiente y las característicashidrológicas de sus cuencas de aporte presentan condiciones propicias para la ocurrencia de fenómenos torrenciales,acarreando sedimentos en alta concentración (flujoshiperconcentrados) así como grandes rocas con alto poderdestructivo capaz de devastar toda la infraestructura a lo largode su paso e incrementando el riesgo de erosión en los cauces.

La presencia de grandes concentraciones de sedimento en elagua cambia las propiedades físicas del fluido y elcomportamiento del flujo creando una mezcla agua-sedimentos que se mueve a grandes velocidades con tirantessuperiores a los del agua sin sedimentos. Este tipo de flujosdeben ser estudiados como fluidos No-Newtonianos por locual las nociones de hidráulica fluvial dejan de ser útiles ydeben emplearse criterios de hidráulica torrencial.

La estimación del transporte de sedimentos para cauces de alta pendiente está limitada a modelos empíricos, los cuales fueronobtenidos para condiciones hidráulicas específicas quedifícilmente se comparan con los cauces donde se requierenaplicar. La selección del modelo que mejor se ajusta al caso deestudio debe realizarse bajo la premisa de conocer todas ycada una de sus limitaciones (Mendoza, 2014). Cabe señalarque el uso de modelos de transporte de sedimentos conestimaciones aceptables de las tasas reales es preferible a lasmediciones en el campo, teniendo en cuenta la incertidumbrede los datos obtenidos junto con el costo económico y detiempo (Batalla y Sala, 1996).

Modelo de Mora, Aguirre y Fuentes (1990)

Dentro del régimen de la hidráulica fluvial, Mora et al., (1990)elaboraron un modelo para determinar el caudal sólido

unitario en cauces con alta pendiente en función del númerode Froude densimétrico del sedimento (Ecuación 7).

0.0072∗(D ⁄ g∆ ⁄ ) ∗ S F∗ F∗ ⁄ (7)Donde : qs es la tasa de transporte unitario en m3/(s*m); D50 esel diámetro medio de material del lecho en m; g es la

aceleración debida a la gravedad en m/s2, ∆ es el pesoespecífico relativo del sólido (adim); C* es el coeficienteadimensional de Chezy que se obtiene como C*=U/[(gRS)1/2]según (Maza y García, 1996); F* es el número de Froudedensimétrico de la partícula que se obtiene con la ecuación 8 yFC* es el valor crítico del número de Froude densimétrico de la partícula definido por la ecuación 9.

F∗ g∆Dcosθtan∅ tanθ ⁄ (8)

Donde : es el ángulo que forma el perfil de fondo con lahorizontal en grados,∅ es el ángulo de fricción interna delmaterial del lecho en grados.

F∗ 0.9 +0.5 ln hD +1.3Dh (9)

Donde:h es el tirante del flujo en m.

Estas ecuaciones son aplicables a ríos de montaña conmaterial de fondo grueso y escurrimientos relativamente pequeños.

Modelo de O’brien y Julien (1985)

En régimen torrencial, el esfuerzo de corte en el fondo paraflujos hiperconcentrados se representa por la ecuación 10.

τb τ + τm +τv + τ + τ (10)Donde : b es el esfuerzo de corte producido en el fondo en N/m2; cc es el esfuerzo de cedencia cohesivo en N/m2, mc enel esfuerzo de cedencia de Mohr-Coulomb en N/m2; v es latensión de corte viscosa en N/m2, t es la tensión de corteturbulenta en N/m2 y; d es la tensión de corte dispersiva en N/m2.

O’Bri en y Julien (1985) propusieron un modelo cuadrático para la ecuación 10 en función de la tasa de corte para poderestimar el esfuerzo cortante de fondo producido por un

fenómeno torrencial (Ecuación 11).

τb τ + μ ℎ+ δℎ (11)Donde : τ es el esfuerzo cortante crítico del material del lechoen N/m2; a es la viscosidad aparente del fluido obtenida porFei (1983) con la ecuación 12 en kg/(m*s); es el coeficientede la tensión de corte inercial en kg/m definido con laecuación 13 y;dU/dh es la tasa de corte en s-1.


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∗ 1 −

(12)

δ ρm ∗ +k ∗ ρ ∗ λ ∗D (13)Donde : es la viscosidad dinámica del agua en kg/(m*s); Cves la concentración volumétrica de sedimentos definida por la

ecuación 14 según Takahashi et al, (1992); Cm es laconcentración máxima (0.615);m es la densidad de la mezclaen kg/m3 definida con la ecuación 15,l es la longitud dePrandtl (0.41*h); k 4 es una constante empírica (0.01);s es ladensidad del sedimento en kg/m3 y λ es la co ncentración linealde sedimentos (Ecuación 16).

tan tan∅ tan (14)ρm ρ1 Cv + ρCv (15)

λ 1CmCv

1

(16)

Modelo de Bagnold (1980)

Bagnold (1980) relacionó la tasa de trabajo (representada porel transporte de sedimentos) con la tasa de gasto de energía enel cauce para obtener la cantidad por unidad de ancho ytiempo de transporte en masa (Ecuación 17). Para tomar encuenta que las partículas no tienen la misma dirección nivelocidad, Bagnold introdujo el coeficiente tan , siendo elángulo promedio de choque de las partículas.

′ tan tan (17)Donde : ′ es el transporte de sedimentos en peso húmedo enkg/s*m;U es la velocidad media del flujo en m/s y; eb es laeficiencia de transmitir dicha energía (adim). Los parámetroseb y tan se obtienen de valores graficados por Bagnold(1966) y son 0.105 y 0.375 respectivamente.

Sección y velocidad media en cauces de altapendiente

La sección típica de los ríos de alta pendiente, debido a surégimen temporal suele ser amplia, superficial y generalmentede forma rectangular. Bray (1982) desarrolló dos ecuaciones(Ecuaciones 18 y 19) para cauces de montaña a fin de estimarel ancho del cauce y el tirante del mismo en las cualesinvolucra el gasto transportado por dichos cauces.

B 4.750∗ Q. (18)h 0.266∗ Q. ( 19)

Donde : B es el ancho promedio de la sección en m;Q2 es elgasto para una avenida con periodo de retorno de 2 años enm3/s.

Por su parte, Rickenman (1994) desarrollo una ecuación con base en datos observados en distintos cauces de alta pendientecon lecho de material granular (Ecuación 20) que relaciona lavelocidad media del flujo con variables que no dependen de lageómetras de la sección y son relativamente sencillas deobtener.

0.37∗. ∗ . ∗ . ∗ − . (20) Donde : D90 es el diámetro tal que 90% de las partículas sonmenores a ese tamaño en m y; Q es el gasto líquido de un ríoen m3/s.

2.- METODOLOGÍALa cuantificación de la erosión y el transporte de sedimentosse realizaron para la cuenca del río Las Cruces, en el Estadode México. El río Las Cruces es de especial interés, debido asus características de alta pendiente y los marcados cambiosde uso de suelo en su cuenca de aporte, que en combinacióncon fuertes precipitaciones provoca el arrastre de grandescantidades de sedimentos.

El río Las Cruces se encuentra ubicado dentro del curso altodel río Lerma (C.A.R.L.) en las faldas del volcán Nevado deToluca. Forma parte de la red de ríos que drenan la parteoriente del volcán hacia la laguna de Chignahuapan dondenace el río Lerma. Su cuenca de aporte es una cuenca pequeña según Campos (2011) pues cuenta con un área de18.76 km2 hasta el exutorio ubicado en la localidad deZaragoza de Guadalupe (Ilustración 1); tiene una alturamáxima de 4,300 m.s.n.m. y una altura mínima de 2,757m.s.n.m con una longitud del cauce principal de 12.48 km yuna pendiente media del cauce de 11.45%.

Ilustración 1. Simulación de flujos superficiales en la cuenca delrío las cruces (SIATL, 2013).

El clima en la región de la cuenca del río Las Cruces estemplado, semifrío subhúmedo, con lluvias en verano. La precipitación media anual de la zona es de 1,100 mm y latemperatura media anual oscila entre los 4 y 12 °C.


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Estimación de la erosión

Los valores de erosión media se obtienen mediante laaplicación del módulo RUSLE con que cuenta el Sistema deInformación Geográfica IDRISI Selva. Para realizar el cálculoel módulo necesita que los parámetros de RUSLE seandigitalizados ya sea como imágenes de superficie o comovalores numéricos; además, dicho módulo requiere del modelonumérico de altitud de la zona de estudio y la delimitación dela cuenca de estudio.

La obtención del factor de erosividad R se hizo utilizando elmétodo de la energía cinética de la lluvia (Ecuaciones 2, 3 y4). Se calculó el factor R para cada una de las estacionesclimatológicas en los alrededores de la zona de estudiorealizando un procesamiento estadístico de las lluvias y laelaboración de las curvas Precipitación-Duración-Periodo deretorno. Una vez calculados los valores de erosividad R paracada estación climatológica, posteriormente a través de unmétodo de interpolación, se obtiene una imagen de superficie.Los valores de R obtenidos variaron desde 171 (MJ*mm)/(ha*hr) en la parte baja de la cuenca, hasta 287 (MJ*mm)/(ha*hr) en la parte alta de la cuenca.

El factor de erodabilidad del suelo se obtiene mediante lascartas edafológicas de INEGI. Se identificaron 3 tipos de sueloen la zona a los cuales se les asigna sus respectivos valores deerodabilidad con respecto a Kirkby y Morgan (1984). Losdatos utilizados se muestran en la tabla 1.

Tabla 1. Factores de erodabilidad en la cuenca de estudio. Nombre del Suelo Factor K

Feozem 0.19Andosol 0.24Regosol 0.05

Por otro lado, en la cuenca del río Las Cruces existen 6 usosde suelo: bosque, agricultura, pastizal, pradera de altamontaña, suelo urbano y bancos de materiales para los cualesse muestran en la tabla 2 sus correspondientes valores delfactor de coberturaCS .

Tabla 2. Factores de cobertura de suelo en la cuenca de estudio.

Tipo de uso de suelo Área(km2)Factor de cobertura

de suelo CSBosque 5.9781 0.007Pastizal 5.4465 0.010

Agrícola 5.6781 0.240Urbano 0.6470 0.300Banco de material 0.2021 0.450Pradera de alta montaña 0.8152 0.200

Dentro de la cuenca de estudio, existen dos tipos de métodosde control de erosión, los surcos rectos en contra pendiente ylas franjas al contorno, estos métodos se aplican principalmente a las zonas agrícolas y zonas de pastizal. Losfactores de prácticas de conservación utilizados variaron desde

0.80 para zonas de pastizal a 0.94 para zonas agrícolas y 1.0en zonas donde no se identificaron prácticas de conservación(zonas urbanas, bancos de materiales, bosque y pradera de altamontaña).

El coeficiente de entrega de sedimentos se calcula utilizandoel método gráfico de la American Society of Civil Engineers en función del área de la cuenca (Gracia, 2000).

Parámetros hidráulicos

La determinación de caudales se realizó utilizando el Métododel Hidrograma Unitario de Snyder con base en la precipitación efectiva. La precipitación efectiva se calculó conel método de los Números de Escurrimiento propuesto por elServicio de Conservación de Suelos (SCS) del Departamentode Agricultura de Estados Unidos (USDA, 1957). El periodode retorno utilizado para el cálculo de caudales fue de 2 años,el mismo que para la estimación de la erosión media.

Los datos de la sección del cauce del río y la velocidad serealizaron utilizando las fórmulas 18, 19 y 20; aplicables acauces de alta pendiente.

Para la caracterización granulométrica del material del lechodel río, se tomaron 4 muestras del lecho de 5 kg cada una y dehasta 20 cm de profundidad, se tamizaron y obtuvierondiámetros representativos. Del mismo modo, con este materialse estimó la densidad de sólidos, el ángulo de fricción interna,la rugosidad del cauce y el esfuerzo crítico de corte.

Estimación del transporte de sedimentos

De acuerdo a las características hidráulicas del cauce, elcaudal líquido asociado a un periodo de retorno de 2 años y elmodelo de transporte de sedimentos de fondo, se estimó latasa de transporte de sedimentos en régimen fluvial empleandolas ecuaciones 7, 8 y 9.

Por otra parte, tomando en cuenta los parámetros hidráulicos,así como los modelos de esfuerzo cortante en el fondo y detransporte de sedimentos de Bagnold, se estimó la tasa detransporte en régimen torrencial empleando las ecuaciones 11,12, 13, 14, 15, 16 y 17.

Finalmente se realizó una comparativa entre la tasa de erosión

media y las tasas de transporte de sedimentos en ambosregímenes; así como una comparativa entre las propias tasasde transporte de sedimentos.

3.- RESULTADOSUna vez digitalizados los parámetros de RUSLE y con base enla metodología descrita en el apartado anterior, se obtienen losvalores de erosión media anual para la cuenca (Ilustración 2).


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Ilustración 2. Valores de erosión anual en la cuenca del río LasCruces.

Se puede observar que los valores de erosión varían desde unmínimo de 10 ton/(ha*año) en áreas principalmente boscosas,hasta valores de 210 ton/(ha*año) principalmente en áreasagrícolas y de bancos de materiales. Finalmente el valor mediode erosión, el coeficiente de entrega de sedimentos y el aportetotal de sedimentos se muestran en la tabla 3.

Tabla 3. Erosión en la cuenca del río Las Cruces.rea de la cuenca 18.76 km2

Erosión media unitaria 45.19 t/ha/añoErosión media total 84,776.44 t/añoC.E.S. 42.00 %Aporte de sedimentos 35,606.10 t/añoTasa de entrega de sedimentos 1.13 kg/s

Las características físicas y granulométricas obtenidas delmaterial del lecho del río se presentan en la tabla 4.

Tabla 4. Caracterización del material del lecho del río.Parámetro Valor ObservaciónD50 (mm) 2.53 Clasificación SUCS de arenas.D90 (mm) 27.67 Muestra la presencia de gravas.

7.64 Bien graduado con la posibilidad de presentar acorazamiento del lecho. (N/m3) 24,260.13 -

∅ (°) 34Arenas bien graduadas. Hough(1957)

τ (N/m2) 14.77Resistente comparado con el de lagrava fina de 3.59 N/m2.CONAGUA (1996).

El caudal escurrido con periodo de retorno de 2 años y lascaracterísticas hidráulicas del río Las Cruces obtenidas con lasecuaciones 18 y 19 así como la velocidad media del flujoestimada con la ecuación 20 se presentan en la Tabla 5.

Tabla 5. Parámetros hidráulicos del cauce.Parámetro Valor medido en campo

Caudal (m3/s) 0.0987Velocidad media (m/s) 0.814Pendiente del cauce (%) 11.450

Ancho de la sección B (m) 1.402 Tirante medido h (m) 0.123

rea hidráulica (m2) 0.172 Perímetro mojado (m) 1.648 Radio hidráulico (m) 0.105

Coef. adim. de Chezy C* 2.370

La tasa de corte dU/dh se evaluó como el cociente entre lavelocidad media del flujo y el tirante, debido a la dificultad deestimar la velocidad del flujo en función del tirante.

dUdh 6.62 s− Con base en los datos obtenidos anteriormente y tomando encuenta las consideraciones de la hidráulica fluvial, laestimación de la tasa de transporte de sedimentos empleandolas ecuaciones 7, 8 y 9 se presenta en la tabla 6.

Tabla 6. Resultados de la aplicación de la teoría fluvial al río LasCruces.

Parámetro ResultadoValor crítico del número de Froude densimétrico dela partícula, Fc* (adim). 2.87

Número de Froude densimétrico de la partícula, F*(adim). 5.76

Tasa de transporte de sedimentos por unidad deancho en volumen, qs (m3/s*m). 1.2 x 10

-4

Tasa de transporte de sedimentos por unidad de

ancho en masa, gs (kg/m*s).0.30

Tasa de transporte de sedimentos en masa, Gs (kg/s). 0.42

Por otro lado, tomando en cuenta las consideraciones de lahidráulica torrencial, la estimación de la tasa de transporte desedimentos se presentan en la tabla 7.

Tabla 7. Resultados de la aplicación de la teoría torrencial al ríoLas Cruces.

Parámetro ResultadoConcentración volumétrica, Cv (%). 13.88Densidad de la mezcla,m (kg/m3). 1,204.46Concentración lineal,l (adim). 1.56Viscosidad aparente del fluido, (kg/m*s). 18.99x10-4 Parámetro turbulento dispersivo, (kg/m). 3.06 Esfuerzo cortante actuante, b (N/m2). 148.47 Esfuerzo cortante actuante, b (kg/m2). 15.13Tasa de transporte de sedimentos por unidad deancho en peso húmedo, gB’ (kg /m*s). 4.96

Tasa de transporte de sedimentos por unidad deancho en peso seco, gB (kg/m*s). 3.37

Tasa de transporte de sedimentos en masa, Gs (kg/s). 4.72

Finalmente se realiza la comparación entre la erosión mediade la cuenca y los valores de las tasas de transporte desedimentos.

La tasa de transporte para el régimen fluvial comparado con la

erosión media se presenta a continuación:

0.421.13 0.37

Lo cual muestra que en régimen fluvial, la tasa de transportede sedimentos de fondo representa el 37% del aporte total porerosión.


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Por otra parte, la tasa de transporte para el régimen torrencialcomparado con la erosión media se presenta a continuación:

4.721.13 4.17

Lo cual muestra que en régimen torrencial, la tasa detransporte de sedimentos representa el 417% del aporte total por erosión.

Finalmente se comparan las tasas de transporte de sedimentosen los distintos regímenes hidráulicos:

4.720.42 11.24

Lo que muestra que en comparación con el transporte desedimentos de fondo, la tasa de transporte de sedimentos deflujos hiperconcentrados es 11 veces superior.

4.- DISCUSIÓNEn relación a la erosión, cabe señalar que en un estudiorealizado por García et al, (2010) sobre erosión en cuenca Altadel Río Lerma, la estimación con el método RUSLE para lazona del río Las Cruces arrojó valores del orden de 30 a 80ton/(ha*año). El valor medio de erosión obtenido de maneradetallada en este trabajo de 45.19 ton/(ha*año) para la cuencadel río Las Cruces cabe perfectamente dentro de este rangoreflejando la bondad de utilización del método.

Por otro lado, al comparar la tasa de transporte de sedimentos

de fondo con la erosión media, podemos observar que estosvalores se relacionan estrechamente, sin embargo, aunque eltransporte de fondo es una parte importante (37%), la mayor parte de sedimentos provienen de la cuenca de aporte debido alos cambios de uso de suelo y la falta de prácticas eficientes deconservación de suelo. En contraste, la tasa de transporte desedimentos de flujos hiperconcentrados comparada con laerosión media refleja una relación menos significativa, puesen este caso la tasa de transporte de flujos hiperconcentradoses superior a la tasa de erosión de la cuenca (417%) mostrandoque los sedimentos provenientes de la cuenca son pocosignificativos y que la mayor parte de sedimentos en este tipode fenómenos provienen del material disponible en el lecho y

las márgenes del cauce (Fotografía 1).

Fotografía 1. Efectos del arrastre de sedimentos sobre lasmárgenes y el lecho del río Las Cruces.

Finalmente, al comparar las tasas de transporte de sedimentos podemos observar que al aplicar el método de fuerza tractivade un fluido No-Newtoniano (flujos hiperconcentrados) la tasade transporte es mucho mayor a la correspondiente atransporte de fondo reflejando que en caso de presentarse unfenómeno torrencial, el transporte de sedimentos se estásubestimando de manera importante representando un riesgo para la infraestructura hecha por el hombre y para el medioambiente pues en algún punto estos sedimentos serándepositados contribuyendo al azolve de ríos, canales, presas,alcantarillas, puentes, etc (Fotografía 2).

Fotografía 2. Presa de retención de azolve colmatada el río LasCruces. Izquierda: fotografía tomada en Marzo de2013. Derecha: fotografía tomada en Junio de 2013.

5.- CONCLUSIONESEn cuencas de alta pendiente donde se han efectuado cambiosde uso de suelo y no se consideran prácticas efectivas deconservación, la erosión media anual aporta grandescantidades de sedimentos a sus cauces de drenaje,modificando de manera importante los equilibrios naturales,cambiando la morfología de los ríos, afectando lainfraestructura hecha por el hombre y propiciando riesgos

ecológicos por pérdida de suelo.La capacidad de transporte de sedimentos en cauces de alta pendiente está íntimamente relacionada con la disponibilidadde sedimentos en su cuenca de aporte; el contraste entreambos valores permite realizar un balance de masa másapegado a la realidad.

El aporte de sedimentos podría definirse con la relacióndirecta entre la capacidad de transporte y la disponibilidad desedimentos. Para cauces de alta pendiente, la capacidad detransporte es inherente al cauce, así como la disponibilidad desedimentos lo es a la cuenca de aporte. Si el objetivo delingeniero de ríos es disminuir el aporte de sedimentos encauces de alta pendiente, la variable más sencilla de controlar,es la disponibilidad de sedimentos mediante laimplementación de medidas estructurales y no estructurales.

Finalmente, si se pretende realizar obras hidráulicas en caucesde alta pendiente, el Ingeniero de Ríos deberá considerar laocurrencia de flujos hiperconcentrados con el fin de evitarrealizar diseños que subestimen los volúmenes de sedimentostransportados.


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RELACIÓN ENTRE EROSIÓN MEDIA Y TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN UNA CUENCA DE ALTA PENDIENTE

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