TRANSPORTE DE SEDIMENTOS.El movimiento de los sedimentos se puede dar mediante dos mecanismos diferentes: escorrenta superficial sobre la cuenca de drenaje y trabajo del agua en los cauces.Los estudios sobre transporte de sedimentos se hacen con diferentes propsitos, entre ellos: Calibracin de coeficientes de rugosidad con datos de aforos y levantamientos topogrficos. Evaluacin de capacidad de transporte lquido y slido de los cauces, detallando caractersticas de los sedimentos. Calibracin de modelos de transporte para definir zonas de agradacin, degradacin o equilibrio. Descripcin de la dinmica fluvial de los cauces, caracterizacin de material de arrastre y suspensin, perfiles de flujo para diferentes caudales, capacidad de transporte lquido y slido.

1. Transporte de sedimentos por escorrenta superficial La mayor parte del agua de las crecientes que llevan las corrientes se origina como escurrimiento y proviene de las laderas vecinas. Adems, el agua que se mueve sobre sus superficies produce erosin de los materiales de las pendientes laterales del ro y dan origen a parte del material que es transportado en el cauce. El escurrimiento o escorrenta superficial, que fluye como una lmina de agua, o en canales someros muy juntos entre s, llamados arroyuelos o crcavas, es algunas veces suficientemente poderoso para vencer la resistencia del suelo a la erosin y transportar una gran cantidad de material pendiente abajo hacia los cauces de los ros. El agua lodosa que escurre de un campo arado o de una pendiente recin nivelada durante una lluvia abundante es un ejemplo familiar de la fuerza erosiva de la escorrenta. Aunque la importancia de la erosin de las laderas a causa del agua que escurre en la superficie pasa con frecuencia inadvertida, desempea un papel importante en el proceso general de erosin. La determinacin de los sedimentos en la cuenca se sale del alcance de este texto y se deja para los especialistas en el tema.

2. Transporte de sedimentos en cauces naturalesEl rea total que es cubierta por los cauces de las corrientes es slo una proporcin muy pequea de la superficie total del terreno drenado por tales corrientes (puede ser < 1%), pero sin embargo, los mecanismos de transporte de sedimentos en el cauce son los ms destacados. El agua que fluye a lo largo de los cauces de los ros realiza varios trabajos: a) erosiona el cauce del ro, profundizndolo y/o amplindolo; b) transporta sedimentos, y c) deposita sedimentos.

a) Degradacin del cauce. Los materiales se degradan en diferentes tiempos: suelos granulares sueltos se erosionan rpidamente mientras que los suelos arcillosos son ms resistentes a la erosin. Sin embargo, la degradacin final de suelos cohesivos o cementados puede ser tan profunda como la de suelos arenosos, variando el tiempo en el cual se produce. Por ejemplo, bajo condiciones de flujo constante, la degradacin mxima se alcanza en horas para suelos arenosos, en tanto que puede tardar das en suelos cohesivos, meses en depsitos glaciales, piedras areniscas y pizarras, aos en piedra caliza y siglos en rocas tipo granito. Es posible que varias crecientes se requieran para que se produzcan las mximas prdidas de material, especialmente en suelos cohesivos, (HEC-18, 2001). La interaccin entre el flujo y el material granular aluvial ha sido ms ampliamente estudiada debido a que es el caso ms frecuente asociado con problemas en la hidrulica de ros. Los sedimentos tienen su origen en el lecho, en las laderas del ro y en la cuenca hidrogrfica. Una corriente puede transportar material de tres maneras: 1) en solucin, 2) en suspensin y 3) por carga de fondo.

b) Mecanismos de transporte Los mecanismos de transporte pueden ser tres: solucin, suspensin y carga de lecho. Solucin. En la naturaleza ningn agua es completamente pura. Cuando cae el agua y se filtra en el terreno, disuelve algunos de los componentes del suelo. Despus el agua puede infiltrarse a travs de las aberturas, poros y grietas de la roca y disolver materiales a medida que se mueve. Gran parte de esta agua encuentra su camino hacia las corrientes, ubicadas a niveles inferiores. La cantidad de materia disuelta contenida en el agua vara con el clima, la estacin y la ubicacin geolgica y se mide en trminos de partes de materia disuelta por milln de partes de agua (ppm). En algunas ocasiones la cantidad de material disuelto excede de 1,000 partes por milln, pero por lo comn es mucho menor. Los compuestos que ms frecuentemente se encuentran en solucin en el agua que escurre en la superficie, sobre todo en las regiones ridas, son los de calcio y de magnesio. Adems, las corrientes llevan pequeas cantidades de cloruros, nitratos, sulfatos y quiz trazas de potasio.Suspensin. Las partculas de materia slida que son barridas por la corriente turbulenta de un ro constituyen el material en suspensin. Este proceso de transporte est controlado por dos factores: la turbulencia del agua y la velocidad de cada de cada grano individual. La velocidad de cada es la relacin que eventualmente alcanza un grano cuando la aceleracin causada por la gravedad se equilibra con la resistencia del fluido a travs del cual est cayendo el grano. En este caso el fluido es el agua. S se deja caer un grano de arena en un estanque tranquilo, se asentar hacia el fondo a una velocidad siempre creciente hasta que la friccin del agua sobre el grano equilibre este grado de incremento; despus se asentar el grano a una velocidad constante, que es su velocidad de cada. Si se introduce una fuerza que iguale o exceda esta velocidad, se logra mantenerlo en suspensin.

Carga de lecho. Los materiales que se mueven a lo largo del fondo de una corriente constituyen la carga de lecho de dicha corriente, en contraste con la carga suspendida y la carga en solucin. Las partculas de la carga de lecho se mueven hacia adelante de 3 maneras: por saltacin, rodamiento y deslizamiento. Una partcula transportada por saltacin brinca de un punto a otro del lecho de la corriente; primero levantada por una corriente de agua turbulenta y despedida hacia adelante; a continuacin, si es demasiado pesada para mantenerse en suspensin, cae otra vez al fondo en algn sitio, corriente abajo. Algunas partculas son excesivamente grandes y pesadas para ser levantadas, aun momentneamente, por la corriente; pero pueden ser empujadas y llevadas a lo largo del lecho de la corriente y, de acuerdo con su forma, moverse hacia adelante, ya sea por rodamiento o por deslizamiento. Las partculas se mueven generalmente rodando o deslizndose unas sobre otras en velocidades bajas. Sin embargo, cuando las velocidades aumentan, arenas e incluso gravas pueden ser transportadas en suspensin.

c) Depositacin. En cuanto la velocidad de la corriente disminuye por debajo del punto necesario para mantener el material en suspensin, comienza la corriente a depositar su carga suspendida. La depositacin es un proceso selectivo. Primero se asientan los materiales ms gruesos; despus, a medida que la velocidad (y en consecuencia la energa) contina debilitndose, se van asentando materiales cada vez ms finos. Los sedimentos de un medio fluvial, presentan caractersticas diversas, segn la zona en que se hayan depositado, de manera que unos representan la acumulacin en el canal, otros, la que tuvo lugar en sus mrgenes y tambin existen otros sedimentos correspondientes a zonas alejadas del cauce. Como se vio en la Parte I, las diversas formas de depsitos son islas, barras, terrazas, abanicos fluviales, deltas.

2.1 Distribucin del transporte de sedimentos El transporte de sedimentos desde el punto de vista de la hidrulica fluvial se puede clasificar en dos grandes grupos de acuerdo con su origen: carga de lecho y carga lavada (Figura 2.1). La principal diferencia entre el uno y el otro es que la carga de lecho depende de las caractersticas hidrulicas del flujo y de las caractersticas fsicas de los materiales, en tanto que la carga lavada depende ms de las condiciones de la cuenca hidrogrfica. La carga de material de lecho del cauce puede ser transportada sobre el fondo del ro o en suspensin en toda la columna de agua; la carga lavada, corresponde al material ms fino, usualmente arcillas y limos, con origen en la cuenca, o bien, pueden provenir de la erosin que el mismo ro produce en sus mrgenes.

Transporte de lecho total o carga de material de fondo (Sb)

Los sedimentos tienen origen en el lecho del cauce y pueden ser transportados como carga de lecho en el fondo (Sbb), o como carga de lecho suspendida (Sbs). La carga de lecho es generalmente granular de tipo piedras, gravas, y arenas.Sb = Sbb + Sbs

Sbs = carga de lecho en el fondo o carga de fondo. Sbs = carga de lecho en suspensin o carga en suspensin.

2.1.1 Determinacin del transporte de sedimentos

La determinacin del transporte de sedimentos en un ro se puede hacer de dos maneras: a) por medicin directa y b) por medio de ecuaciones propuestas por diferentes investigadores. En el mundo, las mediciones de sedimentos son poco usuales debido a las dificultades de trabajo en los ros por lo que toca recurrir a ecuaciones que arrojan un alto grado de incertidumbre.

2.2 Propiedades de los sedimentos

Las caractersticas que definen los procesos de suspensin, transporte y posterior depositacin del sedimento, dependen no slo de las condiciones del flujo sino tambin de las propiedades del sedimento y por ello es necesario su estudio. Entre otras propiedades se considerarn a continuacin el tamao, la forma, la distribucin granulomtrica, densidad, peso especfico, concentracin.

2.2.1 Tamao

El tamao de una partcula de sedimentos es su caracterstica ms importante y de all que fue la nica propiedad que se utiliz en el pasado para caracterizar el grano de sedimento. Sin embargo, cuando la forma, la densidad y la distribucin granulomtrica son semejantes, se podra considerar que la variacin del tamao define la variacin del comportamiento del sedimento. A continuacin se citan los dimetros caractersticos.

Dimetro nominal, Dn, es el dimetro de una esfera de igual volumen que la partcula de que se trata.

= volumen de la partculaEl dimetro del tamiz y el dimetro de sedimentacin son los parmetros de mayor uso. Normalmente las arenas se miden por su dimetro de tamizado y los limos y arcillas por su dimetro de sedimentacin.

Dimetro de sedimentacin, Dw. Se define como el dimetro de una esfera de la misma densidad que la partcula, que cae con la misma velocidad terminal uniforme en el mismo fluido y a la misma temperatura.

Dimetro del tamiz, Di. Es la apertura mnima de una malla de tamiz a travs de la cual pasa la partcula en una distribucin granulomtrica.

Dimetro medio aritmtico, D50. Corresponde al dimetro del material promedio en peso; es decir, el tamao del material en las abscisas de la curva granulomtrica que corresponde al 50% en las ordenadas.

2.2.2 Distribucin granulomtrica

Las caractersticas del material en un tramo de un ro se determinan por los promedios de varias muestras tomadas en diferentes partes de la seccin longitudinal y transversal del cauce en la zona de estudio. Anlisis granulomtricos con tamices se usan para determinar las fracciones de material grueso como gravas y arenas y mtodos hidromtricos se deben usar para obtener las fracciones de materiales finos como limos y arcillas. El anlisis granulomtrico en los cauces se realiza con dos objetivos complementarios que son la determinacin de la rugosidad del cauce asociada a la gradacin de los sedimentos presentes en el lecho y la distribucin granulomtrica del material transportado y disponible segn las muestras recopiladas en los aforos slidos. Esto ltimo se hace para establecer y calibrar modelos de transporte de sedimentos que mejor se ajustan a las condiciones medidas en campo durante campaas de aforo. La distribucin de frecuencia de los tamaos se hace usando procedimientos estadsticos que relacionan el peso de la partcula retenida en cada tamiz y el tamao de la malla del tamiz. Se representa usualmente en forma grfica (Figura 2.2) en donde las ordenadas contienen el porcentaje de la partcula en peso que es ms pequeo que el tamao representado por la malla y las abscisas contienen el tamao de la apertura de la malla. La curva granulomtrica de sedimentos naturales transportados por los ros usualmente presenta una distribucin log normal.

2.2.3 Distribuciones tericas

Las observaciones de quienes se han dedicado al estudio de los sedimentos llevan a la conclusin de que los tamaos de las partculas que constituyen tales sedimentos no se distribuyen segn una ley nica. Sin embargo, se ha comprobado tambin que dependiendo de las condiciones en las que se encuentren los sedimentos en el lecho de los ros, se dan abundantes casos que presentan una tendencia bastante definida hacia cierto tipo de distribucin; es decir, existen sedimentos que se ajustan ms a una determinada distribucin que a otra. La concordancia entre una distribucin real y una terica difcilmente es perfecta. Las discordancias se tienen casi siempre en los extremos o colas de la distribucin: las fracciones de material muy fino o muy grueso son las que se alejan de la distribucin. La mayora de las veces estas colas representan slo una pequea fraccin o porcentaje de material; en estos casos puede aceptarse totalmente la validez del modelo terico, o bien se debe indicar el intervalo en el que se satisface el modelo. Distribuciones comunes en ros son la circular para zonas de montaa, la log-normal para cauces formados por gravas y arenas y la normal para cauces de planicie con sedimentos formados por granos finos como limos y arenas.

- Distribucin circular

Los cursos de agua en zonas montaosas se caracterizan principalmente por el fuerte declive que presentan en el perfil longitudinal de su cauce, por la relativa estrechez de su seccin transversal y por la abundancia de los materiales gruesos o fragmentos rocosos que yacen a lo largo de su lecho. En este tipo de cauces, la distribucin de los tamaos de las partculas tiende a seguir una ley circular, ya que si se dibuja la curva granulomtrica caracterstica del cauce en papel aritmtico (Figura 2.3), adoptando escalas tales que las distancias representativas del dimetro mximo y del cien por ciento sean iguales, el diagrama resultante tiende a ser un cuarto de circunferencia de radio igual al dimetro mximo en la escala respectiva. Si ello ocurre, los tamaos de las partculas se distribuyen segn la siguiente ecuacin.

Sin embargo, la manera de ver clara y rpidamente si una curva granulomtrica sigue una ley circular, es dibujndola en el papel para distribucin circular, ya que si en dicho papel los puntos de la curva granulomtrica quedan exactamente alineados sobre una recta, significa que los dimetros de las partculas se distribuyen conforme a una ley circular.

- Distribucin log-normal

Cuando los sedimentos de los cauces naturales estn constituidos por gravas y arenas, como suele ocurrir en el lecho de los ros en zona intermedia, se ha comprobado que los tamaos de sus partculas tienden a seguir una ley del tipo log-normal de probabilidades. Para discernir rpidamente si la granulometra efectiva se ajusta o no a una distribucin log-normal, se dibujan los puntos de dicha curva granulomtrica en papel log-probabilidad, (Figura 2.4). Si los puntos quedan exactamente alineados sobre una recta, es evidencia de que los logaritmos de los dimetros se disponen segn una distribucin normal o gaussiana de probabilidades. Cuando esto acontece, se dice que la distribucin granulomtrica es del tipo log-normal y puede describirse mediante la siguiente ecuacin.

Distribucin normal

Los sedimentos constituidos por granos finos, como los limos y arenas finas que se encuentran en el cauce de los ros de planicie, tienden a seguir una distribucin de tamaos normal. Para saber rpidamente si la granulometra de tales sedimentos es o no gaussiana, se dibujan los puntos de la curva granulomtrica en papel probabilidad, (Figura 2.5); si resulta que dichos puntos quedan exactamente alineados sobre una recta, significa que los dimetros de las partculas siguen una ley normal o gaussiana de probabilidad. Cuando esto acontece, se dice que la distribucin granulomtrica es normal, y puede describirse por medio de la ecuacin.

2.2.4 Desviacin estndar

Otro parmetro importante en la especificacin de una distribucin granulomtrica es la desviacin estndar de la muestra, . Un valor de grande indica que existe una variacin de dimetros muy amplia, mientras que un valor pequeo indica mayor uniformidad en la distribucin.

- Partculas de sedimento con distribucin normal

2.2.5 Forma de la partcula

Es una caracterstica que determina el modo del movimiento de la partcula (granos de forma aplanada, en el lecho, difcilmente se mueven por rotacin, pero s se desplazan fcilmente o, eventualmente pueden saltar). Normalmente se define a travs de la redondez, esfericidad y el factor de forma.

Redondez. Se define por la relacin entre el radio medio de las aristas y esquinas de la partcula y el radio de la circunferencia inscrita en la mxima rea proyectada de la partcula. Es una caracterstica muy importante en los estudios de abrasin. Esfericidad. Es la relacin entre el rea superficial de una esfera de volumen equivalente al de la partcula y el rea superficial de la partcula.