redalyc.transporte de sedimentos en las corrientes del ... · temporal de la carga de sedimentos y...

Revista Ingenierías Universidad de Medellín

ISSN: 1692-3324

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Universidad de Medellín

Colombia

Montoya Jaramillo, Luis Javier; Montoya Ramírez, Rubén Darío

Transporte de sedimentos en las corrientes del departamento de antioquia

Revista Ingenierías Universidad de Medellín, vol. 4, núm. 7, julio-diciembre, 2005, pp. 101-109


Medellín, Colombia

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RESUMENRESUMENRESUMENRESUMENRESUMEN

Los sedimentos constituyen un problema queafecta la calidad de las aguas en corrientesnaturales y su utilización; a pesar de esto ha sidopoco estudiado. Son pocas las metodologías querelacionan diferentes variables de la cuenca conla carga presente en las corrientes. Este estudiopresenta la cantidad de sedimentos en suspensiónen las principales corrientes del departamento deAntioquia (Colombia), la distribución espacial ytemporal de la carga de sedimentos y susrendimientos para la zona de estudio. Se intentainferir los principales fenómenos involucrados enlos procesos de generación, transporte ysedimentación en dichas cuencas. Se estudia larelación con la geomorfología, las condiciones

Transporte de sedimentosen las corrientes del

departamento de antioquia1

LLLLLuis Javier Montoya Jaramillouis Javier Montoya Jaramillouis Javier Montoya Jaramillouis Javier Montoya Jaramillouis Javier Montoya JaramilloI. C. MSC. en Aprovechamiento de recursos hidráulicos. Docente del programa de Ingeniería Ambiental de la Universidad de Medellín y

docente investigador del grupo GEMA. [email protected]. Tel of:3405407

Rubén Darío Montoya RamírezRubén Darío Montoya RamírezRubén Darío Montoya RamírezRubén Darío Montoya RamírezRubén Darío Montoya RamírezI. C. MSC. en Aprovechamiento de recursos hidráulicos. Coordinador área de hidráulica. Docente del programa de Ingeniería Civil de

la Universidad de Medellín y Docente investigador del grupo GICI. [email protected]. Tel of:3405308

1 Este artículo es parte de algunos de los resultados obtenidos en el proyecto de investigación interno �Estimación de la carga desedimentos en corrientes del departamento de Antioquia�.

Recibido: 01/08/05Aceptado: 24/10/05

Transporte de sedimentos en las corrientes del departamento de Antioquia

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Revista Ingenierías

hidrológicas y climatológicas y la geología, y seenuncian posibles efectos originados poractividades antrópicas. En el estudio se utilizaronlas series de carga de sedimentos mensuales de44 estaciones ubicadas en 24 corrientes endiferentes regiones de la zona de estudio,recolectadas por el IDEAM. Se analizó la relacióncon el caudal y con la precipitación en la cuenca.

PALABRAS CLAVEPALABRAS CLAVEPALABRAS CLAVEPALABRAS CLAVEPALABRAS CLAVE

Carga de sedimentos, erosión en cuencas,sedimentación.

ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT

The sediment load is a problem that affects thewater quality in natural rivers and its use, howeverthis problem is little studied. There are a fewmethodologies that find relationships betweendifferent variables of the basin with the sedimentsload in its. This research shows the sediment loadin most important rivers of Antioquia (Colombia).It shows the spatial variability of sediments loadand its sediment yield in this area; also it showsthe temporal variability. It may find the mainphenomena in the process of generation, transportand sedimentation in these basins. It studies therelationship among the geomorphology, thehydrological conditions, meteorological conditions;geology and it show possible effects for the humanactivities. This study had used monthly sedimentsload series of 44 stations in 24 rivers in the studiedarea, this series was collected for the IDEAM. Finallywe analyzed the relationship with the dischargeand the rainfall in the basin.

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1. IntroducciónLos ríos constituyen el principal agente detransporte de sedimentos. El agua, además de seragente activo en la erosión de los suelos, constituyeun factor importante en el transporte del suelo,que al llegar a las corrientes se convierte ensedimentos.

Los ríos son, pues, un componente importante enla formación del paisaje; desencadenan la erosiónen sus lechos y en algunos casos en sus valles;son, además, medios de transporte, pues enalgunos casos trasladan los sedimentos grandesdistancias hasta aquellas zonas donde lascaracterísticas hidráulicas hacen que parte de lossedimentos se depositen cambiando, a su vez, lascaracterísticas hidráulicas producidas por laformación de barras, abanicos aluviales y deltasentre otros.

Entender el movimiento de los sedimentos esimportante para la navegación, el control deinundaciones y la comprensión de la dinámicafluvial. También puede ser importante en elentendimiento de los procesos de contaminación,sobre todo por la absorción de algunas partículascontaminantes por parte de los sedimentos y sutransporte junto con éstos.

Los procesos de transporte de sedimentos suelenno ser continuos en el tiempo y en el espacio,usualmente se intercalan períodos de transporteo arrastre y de sedimentación o almacenamientocon intervalos de tiempo irregulares y relativamentealtos entre ellos.

Para obtener registros de dicho transporte se midela carga de sedimentos, que se encuentraconformada por la cantidad de partículas sólidasque se mueven por la acción del agua por unidadde tiempo. También se debe medir laconcentración de sedimentos, que consiste en larelación entre la cantidad de sólidos en undeterminado volumen de agua y el volumen de lamuestra.

Generalmente, se suelen distinguir la carga defondo o de lecho, la carga en suspensión y la cargade lavado; la primera asociada a partículas sólidas

en movimiento en el fondo del canal; la segunda,a las partículas que estando en el lecho han saltadoy se encuentran suspendidas pero que se puedensedimentar y la tercera se suele asociar a aquellaspartículas que se encuentran suspendidas y no sesedimentan. Comúnmente se ha asociado la cargade lavado (wash load) con los aportes propios de lacuenca; en general está gobernada fuertementepor la capacidad de suministro, a través de laerosión de finos, de la propia cuenca yescasamente con las condiciones hidráulicas de lacorriente. Las cargas de lecho y suspensión estángobernadas por la capacidad de transporte delflujo, estando por lo tanto estrechamenterelacionadas con el caudal líquido.

Las diferencias entre carga y suspensión no sonclaras, ya que no existe una brusca discontinuidadentre ambos procesos; de hecho una mismapartícula puede alternar su forma de transportesegún varíe la distribución de la turbulencia; variosautores han tratado entonces de definir criteriosque permitan diferenciarlos, entre estos Quesnel(1963) y Bagnold (1966).

Existen diferentes enfoques para abordar el estudiodel transporte de sedimentos. Un primer enfoquebusca relacionar de forma física las principalesvariables que intervienen en el arrastre y encontrarrelaciones entre ellas, partiendo de la hipótesissobre el comportamiento del sedimento yajustando posteriormente los modelos mediantemediciones en cauces o en canales de laboratorio.Un segundo enfoque asume que el transporte secomporta de forma estocástica y busca obtenerrelaciones estadísticamente significativas con lasdiferentes variables que intervienen en elfenómeno.

Diferentes estudios se han preocupado porestudiar las cargas de sedimento en el mundo.Fournier (1960) fue el primero que con los datosde carga en diferentes corrientes del mundo,determinó un patrón de erosión global.Posteriormente otros trabajos en este mismosentido fueron los presentados por Walling (1983);Walling y Webb (1983, 1996), Janson (1982, 1988),Milliman (1990). Los trabajos de Milliman y Meade(1983) y Milliman (1990) se concentran enencontrar los aportes de sedimentos a los océanos.


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Estos autores presentan también un panorama delos aportes de sedimentos de los principales ríosdel mundo.

Los ríos de Sur América aportan un 11 % de lacarga de sedimentos a los océanos y un 23% de

las descargas líquidas (Restrepo y Kjerfve, 2000 yMilliman,1990). En la Tabla 1 se presentan losaportes de algunos de los principales ríos delmundo y en la Tabla 2 se presentan lascaracterísticas básicas de algunos ríos de Colombia.

Tabla 1. Principales características de las cuencas del mundo (Datos tomados de Milliman, (1983)).

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Tabla 2. Características básicas de algunos ríos de Colombia (Datos tomados de Restrepo y Kjerfve(2000)).

Según los datos reportados por Milliman y Meade(1983), el río Magdalena presenta un rendimientode carga de sedimentos muy alto comparado conlos demás ríos de América, a pesar de presentarun rendimiento en caudal similar a otras corrientesde Sur América; superado solamente por los ríosde la zona de Oceanía y Asia meridional que, segúnMilliman (1983) representan el 70% del flujomundial. Estas cuencas corresponden a ríos enzonas con altas precipitaciones y con grandesvariaciones topográficas, indicando que el clima yel relieve influyen fuertemente en el proceso deerosión. Puede observarse que los datos de cargade sedimentos más baja se presentan en los ríosColorado y Nilo en los cuales la presencia de unembalse aguas arriba del punto de medicióndisminuye considerablemente la carga desedimentos en la desembocadura.

En la costa caribe colombiana los ríos quepresentan mayor rendimiento de cargacorresponden al Chigorodó y Carepa ubicados enla zona del Urabá antioqueño, lo cual se debebásicamente a las altas precipitaciones y al hechoque éstos no presentan zonas de baja pendiente

que permita a los sedimentos depositarse antesdel punto de medición. El caso contrario sepresenta en la Guajira donde el régimen deprecipitación es muy inferior al de la zona de Urabáy a que la zona tiene baja pendiente favoreciendolos procesos de sedimentación, por lo que los ríosen la Guajira presentan rendimientos de cargabajos. Es importante aclarar que son varios losaspectos que interfieren en la cantidad desedimentos como el uso del suelo, la geología, elrelieve y eventos como el fenómeno del Niño y laNiña, como indican Restrepo y Kjerfve (2000) parael caso del río Magdalena.

Se debe tener cuidado al comparar los datospresentados por los diferentes autores, puespueden proceder de diferentes fuentes y habersetomado en épocas y con técnicas de medicióndiferentes.

También hay que considerar que la carga desedimentos puede variar a lo largo de una corriente.No es igual el comportamiento de las cuencas enlas zonas de montaña al de las cuencas que tienenamplias zonas para depositar sedimentos, como


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lo reflejan los rendimientos presentados en lasTablas 1 y 2. Por esto se deben realizar estudiosdetallados de las características geomorfológicase hidráulicas del cauce y su influencia en lacapacidad de transporte de sedimentos.

2. Metodología y resultadosPara el presente estudio se recopiló informaciónde 43 estaciones limnigráficas y una estaciónlimnimétrica administradas por el Instituto deHidrología, Meteorología y Estudios AmbientalesIDEAM instaladas sobre 24 corrientes deldepartamento de Antioquia. De las anterioresestaciones se eliminaron dos por disponer de muypoca información.

De acuerdo con la ubicación y las característicasclimáticas de la región, se seleccionaron cuatro

zonas: Urabá, Cañón del Cauca, Bajo Cauca yOriente. En la Figura 1 se muestra la ubicación delas estaciones empleadas.

Con el fin de identificar las principalescaracterísticas asociadas a la carga de sedimentos,se realizó un análisis exploratorio y estadístico delas series históricas, tratando de identificar ciertoscomportamientos regionales y temporales,tendencias, ciclos, puntos de cambio y valoresextremos.

Inicialmente se encontraron los estadísticosbásicos de las series y se observó elcomportamiento del ciclo anual de la carga desedimentos. En la Figura 2 se presenta el ciclo anualde la carga de sedimentos y de caudal en algunasestaciones, y en la Tabla 3 se presentan losestadísticos básicos de las series.

Figura 1.Ubicación de las estaciones utilizadas en el estudio.

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Figura 2. Distribución mensual de la carga de sedimentos y caudal para algunas estaciones


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Se calcularon los rendimientos de la carga desedimentos y del caudal para las diferentescorrientes estudiadas, con el fin de compararlos y

Tabla 3. Estadísticos básicos de las cuencas empleadas

determinar características regionales. En la Tabla4 se presentan los rendimientos de carga desedimentos y de caudal.

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Tabla 4. Rendimientos de carga y caudal para las cuencas estudiadas

Con el fin de observar la variación temporal y espacialde la carga de sedimentos se construyeron las curvasde duración adimensionales para las estacionesempleadas y las diferentes zonas definidas. Estascurvas permiten verificar cierto comportamientoregional de la carga de sedimentos entre las diferenteszonas, así como realizar un análisis de frecuencia para

aquellas zonas sin información histórica de caudalesal encontrar una curva de duración ajustada para cadazona y una expresión zonal para la carga promedio desedimentos como una función de parámetrosmorfométricos, fácilmente medibles. En la Figura 3 semuestran las curvas de duración adimensionales porzonas.


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Para analizar la presencia de posibles tendenciastemporales en las series se construyeron las curvasde masa de la carga de sedimentos para lasdiferentes estaciones. Estas curvas presentan lacantidad acumulada de sedimentos a lo largo deltiempo en una estación determinada. Puntos decambio significativos en las curvas indican cambios

en el comportamiento de la carga en el tiempo.Para la construcción de las curvas de masa fuenecesario completar los registros faltantes, paraello se construyeron las curvas de carga querelacionan el caudal con la carga de sedimentos.En la Tabla 5 se presentan las ecuaciones obtenidaspara cada una de las estaciones empleadas.

Figura 3. Curvas de duración de carga de sedimentos adimensional por zonas.

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Se analizó la influencia de eventos macroclimáticoscomo el fenómeno del Niño o la Niña sobre la cargade sedimentos; para ello se correlacionaron la cargade sedimentos con el índice de oscilación del sur

Tabla 5. Ecuaciones obtenidas para las curvas de carga de sedimentos en función del caudal medio. Qs:Carga de sedimentos en Kton/día. Q: Caudal en la estación en m

3/s.

(IOS); también se realizó el espectro de frecuenciasmediante la transformación discreta de Fourier. Enlas Figuras 4 y 5 se presentan los resultados obtenidospara la estación San Miguel en el río La Miel.


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Figura 4. Relación entre la carga de sedimentos y el índice de oscilación del sur (IOS)

Figura 5. Espectros de Frecuencias y Periodograma de la estación San Miguel, río La Miel.

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3. DiscusiónAl comparar las series de carga de sedimentos yde caudales se observa una fuerte dependencia.En el ciclo anual se observa que ambas variablesmantienen tendencias similares (Figura 2). Serealizaron los correlogramas y los análisis decorrelación entre las variables para confirmar dicharelación, encontrándose resultados aceptables; poresto se construyeron las curvas de cargapresentadas en la Tabla 5.

La Figura 2 presenta el ciclo anual de carga desedimentos y de caudales para estacioneslocalizadas en diferentes zonas del departamentode Antioquia. En algunas de ellas se observa uncomportamiento bimodal, el cual coincide con lasdos temporadas de lluvia que habitualmente sepresentan en estas zonas . En otras como laestación Puente Carretera en el río Zungo y PuenteAnorí en el Nechí, dicho comportamiento no estátan claro, y puede explicarse por las condicionesclimáticas de la zona en que se encuentran.

Aunque el caudal constituye una variableimportante para explicar el transporte desedimentos, existen otros factores que intervienenen dicho proceso. Entre ellos se deben mencionarla precipitación, las características hidrogeológicasde la cuenca y algunas actividades antrópicas.Todas estas variables se encuentran relacionadascon el caudal y con la carga de sedimentos, por locual separar la influencia de cada factor escomplejo.

Tal como se observa en los espectros defrecuencias de las series y en el gráfico de carga desedimentos contra Índice de Oscilación del Sur(IOS) , se puede verificar la influencia del ciclo anualy del período de recurrencia del fenómeno del Niño.

Si se comparan los rendimientos de carga desedimentos de las principales corrientes del mundomostrados en la Tabla 1 con los rendimientosobtenidos para las diferentes cuencas de Antioquia,Tabla 4, se hacen evidentes los altos valoresencontrados para la gran mayoría de estacionesestudiadas y la consecuente problemáticaambiental.

La Tabla 3 presenta los valores promedios de lacarga y su variabilidad. Se pueden observar altosíndices de pérdida de suelo reflejados en dichascargas y la variabilidad existente en ellas.

Para estudiar más en detalle la variabilidad temporalde las series de carga de sedimentos seconstruyeron las curvas de duración de carga; estasse presentan de manera adimensional con el finde compararlas con estaciones dentro de la mismaregión geográfica. La Figura 4 presenta las curvasadimensionales de duración para la carga desedimento en las diferentes zonas, en ellas sepuede observar que las mayores diferencias sepresentan en los eventos con menor probabilidadde excedencia, asociados con los valores extremosmás altos de carga. La construcción de una curvaregional para cada una de las zonas estudiadas apartir de las curvas adimensionales presentadasen la Figura 3 permite realizar estimaciones ensitios sin información histórica.

La ausencia de series con registros históricosanteriores a 1973 hace difícil la detección detendencias en la carga de sedimentos. Futurostrabajos buscarán relacionar cambios en los usosdel suelo y en las actividades antrópicas concambios en la carga de sedimentos, empleandotécnicas de fotointerpretación y análisis deimágenes satelitales; así como la toma de datosde campo en las diferentes coberturas y deltransporte en las corrientes. Se deben tambiénestudiar de forma más detallada los efectos de lavariabilidad en las series debidos a posibles cambiosclimáticos globales.

3. ConclusionesExiste una fuerte relación entre la carga desedimentos y las variables climáticas. El caudal esuna de las variables hidrológicas que más altarelación muestra con la carga; esta es una variableque integra los efectos de otras tales como laprecipitación, la morfología y la velocidad de flujo.

La carga de sedimentos en la zona de estudiopresenta un comportamiento anual bimodal, másmarcado en la zona centro de Antioquia y con


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menores variaciones en la regiones de Urabá y elBajo Cauca.

Se detecta una influencia del fenómeno del Niñoen el transporte de sedimentos, explicado, enparte, por su efecto en el caudal y en laprecipitación.

En la zona de estudio existen altos rendimientosen la carga de sedimentos si se comparan convalores registrados en diferentes lugares delmundo.

Las curvas de duración de caudales presentancomportamientos regionales similares en lasdiferentes zonas estudiadas.

4. AgradecimientosLos autores agradecen a la Vicerrectoría deInvestigaciones de la Universidad de Medellín porla financiación de este proyecto y las personas quede alguna manera contribuyeron al mejoramientodel documento final.

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