1 Introducción Proceso sedimentológico Ing. Manuel F. Rayano 1 Se dice que la función del río es transportar agua y sedimentos hacia su desembocadura: para hacerlo va modelando la topografía, dando formas a las barras, topando los sedimentos gruesos (depositándolos cuando pierde capacidad de transporte) y suspendiendo en el fluido a los finos. Se ha calculado que la denudación tiene lugar en media a unos 50 a 90 metros por millón de años, en la actual época geológica. La superficie de la tierra está continuamente siendo reducida (modelada) y su forma es modificada por la erosión. 2 Geomorfología fluvial La erosión fluvial es el agente más importante de denudación y depositación, y se lo puede considerar a todo el proceso como un ciclo (Figura 1) (Bordas, M., Semmelmann, F., 1997). La erosión del suelo es ínfima en las praderas y en los bosques, porque el efecto de las precipitaciones y agentes climáticos es amortiguado. Denudación (Derrau, M. 1965) Figura 1 2.1 Perfil de equilibrio En los ríos en su etapa de juventud su vertiente es más escarpada con radios de curvatura cerrados. A lo largo del tiempo las curvas se van suavizando a causa del proceso erosivo. Se tiende a una pendiente cóncava hacia el cielo. En cada punto la posición depende de la de los demás, debido a las mutuas interacciones entre ellos. Se alcanza el perfil de equilibrio o de equilibrio dinámico, al acercarse a la pendiente de transporte ideal. 2.2 Potencia y carga de una corriente La potencia bruta de una corriente (a consecuencia de la pendiente) es la energía que pasa por segundo por una sección dada. Es absorbida por fricción y por el transporte de la carga de sedimentos, resultando una potencia neta. La situación de potencia neta nula ocasionaría el transporte de toda la carga sin depositar ni excavar, definiendo la pendiente teórica de transporte o de equilibrio. 1 Fac. de Ingeniería. Dpto. de Hidráulica. Resistencia, Chaco, Argentina. E-mail: manuel_rayano@yahoo.es
2.3 Dinámica del escurrimiento fluvial En una misma sección las velocidades varían desde cero (en el fondo) hasta un máximo en cercanías de la superficie, y también lo hacen en forma transversal. El mantenimiento de estas velocidades es función de muchas variables. 2.4 Poder de erosión y de transporte Si la potencia neta de una corriente es positiva (la potencia bruta es superior al desgaste en fricción interna y por rugosidad) la corriente puede levantar y transportar materiales muy pesados. El tamaño de los granos transportados crece muy rápidamente con el incremento de la velocidad: la duplicación de la velocidad permite por ejemplo el transporte de materiales de volumen 64 veces mayor. Se definen para una corriente de una determinada velocidad media el tamaño límite de los granos capaces de ser transportados (competencia) y el peso total cargado (carga límite). 2. 5 Tipos de trazado Rectos: Es poco frecuente. Se manifiesta cuando los ríos fluyen en valles no fácilmente erosionables, de bajas pendientes y con escasa capacidad de transporte. El flujo de estos cauces rectos toma suavemente un curso sinuoso (ver Figura 2B). Entrelazados o anastomosados (braided stream): Se producen sucesivas divisiones y reuniones de la corriente, originándose así canales que bordean islas aluviales. Son característicos de corrientes con grandes fluctuaciones en el flujo (o caudales elevados) y en la carga de sedimentos ( Figura 2A). Requieren pendientes relativamente altas y elevada capacidad de transporte. Meandriformes: Cuando la corriente presenta inflexiones a lo largo de su dirección ( Figura 2C). Las corrientes que desarrollan sinuosidades (meandros) son usualmente de baja pendiente, con baja a moderada carga de sedimentos en relación a su capacidad de transporte, y fluctuaciones en la descarga. El espacio entre las curvas es controlado por la resistencia al flujo, que alcanza un mínimo cuando el radio es de 2 a 3 veces el ancho del cauce. Figura 2 Los meandros presentan la característica de divagar en la superficie ensanchando el valle, avanzando hacia aguas abajo, lo que produce a veces cortes o cortocircuitos entre las curvas, dejando como resultado lagunas aisladas (llamadas collares de buey). 2.6 Diseños de drenaje Se utiliza el Indice de sinuosidad (longitud o trayectoria del canal principal / longitud del valle en el tramo considerado) con el parámetro de entrelazamiento (braiding parameter, N de barras por longitud de onda del meandro). Los límites adoptados para diferenciar sinuosidad alta o baja con el Indice es 1,5; para diferenciar canalización simple o múltiple con el parámetro de entrelazamiento es la unidad (1). Se llama barra a los depósitos de arena, grava o de material aluvial, que se encuentran en el cauce de una corriente. Islas serían aquellas formas cuya emergencia es permanente durante las crecientes ordinarias. Bancos en cambio son las barras que no emergen en forma permanente durante las crecientes ordinarias. Se hacen evidentes durante las bajantes pronunciadas. 2
3 Erosión y deposición Los procesos que rigen el desplazamiento de las partículas sólidas durante el ciclo hidrosedimentológico pueden identificarse como (Bordas, M., Semmelmann, F., 1997): Desagregación, Erosión, Transporte, Decantación (o sedimentación temporal), Depósito y Consolidación. La desagregación es el desprendimiento de partículas del medio de que hacen parte, por efecto de la meteorización, principalmente. La erosión es el proceso de desplazamiento de su lugar de origen de las partículas sólidas de la superficie del suelo o de los lechos de los cursos. El agente erosivo más importante es el agua, y la erosión puede relacionarse con la temperatura o la precipitación media anual (Guy, H. 1970). Las fuerzas resistentes a la erosión incluyen la gravitatoria y las de estructura o trabazón granular, así como los agentes cementantes. Tienen su origen principalmente en el peso de la partícula (clasto) y en las fuerzas de cohesión. La erosión hidráulica puede ser laminar o encausada: Erosión laminar es aquella que se produce por una lámina de agua de altura uniforme, en cada unidad de terreno o lote. Las partículas de polvo o suelo suelto sobre la superficie del terreno también determinan la tasa de erosión laminar. Gotas grandes y viento seguida por una tormenta fuerte pueden aflojar y arrastrar considerable monto de suelo. En la erosión encausada el agua tiende a escurrir en canales, cuya acción erosiva conduce a la formación de cada vez mayores y más densos cursos. Si se agrava puede formar cárcavas (ver más adelante). Erosión general ocurre cuando no hay equilibrio entre la capacidad de transporte de la corriente y la cantidad de sedimento transportada. Erosión local ocurre siempre, aún en las corrientes que han alcanzado un equilibrio entre su capacidad de transporte y la cantidad de sedimentos disponibles. Cárcavas Consiste en canales profundos en quiebres de pendientes o donde el proceso erosivo canalizado es más evidente y profundo. Agradación o depósito ocurre cuando la capacidad de transporte del flujo es superada o no se alcanza a cubrirla. Los problemas derivados de la deposición se derivan de que sucede en lugares no deseados (Colby, B. 1963). Pueden depositarse tanto partículas gruesas como finas en el lecho debido a reducción local o general de la capacidad de transporte, donde la velocidad y la turbulencia se reduzcan, debido a constricciones locales. La acelerada erosión produce también una rápida descarga, por saturación de la capacidad de transporte. 4 Movimiento de sedimentos en una corriente de agua Aguas abajo, en promedio, las moléculas y las partículas siguen una trayectoria descendente, dependiente de su velocidad de caída. Puede producirse erosión o deposición neta, función fundamentalmente de la capacidad de transporte de la corriente, más que de otros parámetros del flujo. 4.1 Características dinámicas de las partículas. Ley de Stokes El tamaño no es el mejor indicador de las características fluviales y propiedades dinámicas de los sedimentos. Para partículas menores a 2mm es preferible utilizar la velocidad de caída, función del volumen, forma, peso específico de la partícula y del fluido, así como de la viscosidad de este último. El diámetro de caída (o equivalente) es el propio de una esfera equivalente de peso específico 2,65, que tendría la misma velocidad de caída de la partícula. 4.2 Fuerza tractiva, velocidad crítica y competencia En el movimiento del líquido intervienen 2 tipos de fuerzas, las gravitatorias y la resistencia, que se opone a la acción hacia aguas abajo de las primeras. La relación entre ambas determina la capacidad de la corriente para erosionar y para el transporte de los sedimentos. 3
Se ha relacionado la cantidad de sedimento grueso transportado en peso con la fuerza del fluido por unidad de área. La fuerza de fricción que determina la resistencia que opone el contorno del cauce es la fuerza tractiva, o tensión de arrastre (τ o= γ w*rh*s = [Newton / m 2 ]). Es máxima en el fondo, donde es mayor el peso del agua. Donde: γ w = peso específico del agua Rh= Radio hidráulico= Area mojada/ perímetro mojado o contorno húmedo. Se puede reemplazar por la profundidad (y) en canales naturales o ríos. s= pendiente de la superficie libre de agua, aproximadamente igual a la pendiente del lecho. El incremento de la carga suspendida lleva al decrecimiento de la fuerza tractiva; la disminución de la concentración de la carga de fondo produce un incremento de la misma (o un incremento de la fuerza de fricción). A la velocidad necesaria para poner en movimiento al grano se la denomina velocidad crítica. La velocidad fluctúa de acuerdo a los fenómenos (instantáneos) de turbulencia que van acompañados de la formación de la rugosidad o configuración de lecho, y es influenciada por la viscosidad aparente. La potencia hidráulica fue definida por Bagnold en 1966: Pot= u*τo= [watts / m 2 ] Siendo u= velocidad media de la corriente [m/seg]. Determina el poder de la corriente para desarrollar un trabajo en la unidad de tiempo. La representación de estas relaciones en función de la velocidad y el tamaño del grano en un gráfico (diagrama de Hjulstrom, Figura 4) muestran el descenso en la fuerza necesaria para movilizar las arenas finas a medias (0,2 a 0,5mm). Curva de Hjulstrom, s/ Kukal, 1970. (Spalletti, L. 1986.) Figura 4 La velocidad crítica para iniciar el movimiento (erosión) de los granos es mucho mayor que la necesaria para la depositación de los mismos. 4.3 Capacidad de transporte La capacidad de transporte de la corriente determina la cantidad de material que puede transportar y erosionar. Se utilizan los siguientes conceptos: La cargaconsiste en la cantidad de detritos transportados, expresada en unidades de peso sobre tiempo, como kilogramos por segundo, toneladas por día, o toneladas por año. La concentración es la masa de sedimentos que se encuentra en un volumen unitario de agua, usualmente expresada en gramos por litro. La producción de sedimentos (sediment yield) es la cantidad de sedimentos que pasa por la sección transversal de un río en la unidad de tiempo, dividida por el área de drenaje aguas arriba del punto de medida. Se expresa en toneladas por kilómetro cuadrado por año. La potencia hidráulica se disipa en parte por fricción y en parte por absorción durante el transporte de los sedimentos. Está relacionada con la capacidad del río para su recuperación. La resistencia total al flujo (J) es igual a la suma de la resistencia friccional más la fuerza tractiva, razón por la que existe (en una corriente, en un momento dado) un equilibrio entre ellas (Spalletti, L. 1986). 4
4.3.1 Modos de transporte Las partículas finas son transportadas principalmente en suspensión por la turbulencia de la corriente, prácticamente sin deposición. Su velocidad es coincidente con la del flujo. La cantidad de finos es uniforme y depende de la disponible por erosión y de su trayectoria en el flujo. Las concentraciones de finos son mayores después de las tormentas, debido al arrastre laminar, razón por la que también se incrementa su cantidad con los flujos altos, producto de lluvias. Sin embargo el pico de concentraciones de finos no suele coincidir con el pico de los caudales. En cambio el suministro disponible de gruesos es generalmente mayor a la capacidad de transporte de la corriente. Es variable y está relacionada con la disponibilidad, con la energía de la corriente y sus condiciones de borde. 4.3.2 Mecanismos de transporte tracción (deslizamiento o rodado): es el desplazamiento sobre el sustrato, por rodamiento alrededor del eje mayor del grano, o por deslizamiento sobre el plano del substrato. saltación : consiste en pequeños saltos sobre el lecho de los clastos más gruesos, bajo el efecto de fuerzas de alzamiento hidráulico, o impacto entre granos. suspensión :consiste en el desplazamiento en el seno de la corriente, generalmente bajo el efecto de efectos de la turbulencia. flotación: se refiere al movimiento de material sobre la superficie del agua. solución: comprende a las sales disueltas en forma iónica. 4.3.3 Clasificación de la carga total Según el tipo de movimiento de los sedimentos en el transporte se clasifica la carga total en carga de fondo o de arrastre (bedload): Material constituido por las partículas más gruesas que se trasladan por deslizamiento, saltación y rodado, muy cerca del lecho, y en carga suspendida (suspended sediment load), trasladada por efecto de la turbulencia, por flotación o en forma coloidal. Según la procedencia de los materiales transportados se divide en: 1) Material fino de lavado (wash load): Proviene de la erosión laminar producida por las precipitaciones y transportado en suspensión (prácticamente uniforme). 2) Material de fondo (bed material load): Es el material ubicado en el lecho del río. Se la puede dividir a su vez en componentes de tracción y de suspensión. La distinción entre material fino y de fondo se hace a través de la distribución de tamaño en la superficie del lecho ( 0,062mm, limite entre arenas- limos). 4.4 Regímenes de flujo o configuraciones del lecho Arena suspendida en una corriente con flujo turbulento es transportada en función de la velocidad media, la rugosidad, y la profundidad (Guy, H. 1970). La rugosidad del fondo se asocia a un modo de transporte de sedimentos y a un rango específico de resistencia al flujo. El concepto de resistencia al flujo implica una relación entre la forma o configuración del lecho y regímenes de flujos (alto, medio o bajo). Resistencia al flujo en régimen tranquilo se produce principalmente mediante las formas de fondo. En régimen supercrítico mediante la formación de olas estacionarias o con rompientes, la formación de rápidos, o a través de la rugosidad propia de los granos. A medida que se incrementa el poder del flujo, las configuraciones del lecho son las siguientes: 1. Lecho plano sin movimiento de materiales 2. Formas mayores de aspereza: 2.1. Ondulas 2.2. Ondulas o dunas (en especial ondas de arena) 2.3. Dunas 2.4. Dunas lavadas o de transición 2.5. Lecho plano con movimiento de materiales (aspereza de grano) 2.6. Antidunas 2.6.1. Ondas estacionarias 2.6.2. Ondas rompientes 5
2.7. Remansos y rápidos De los tipos de formas de lechos descriptos, al régimen de transición corresponde el 2.4., y los otros a régimen bajo (de 1. a 2.3.) o alto (2.5. a 2.7.). 4.5 Fórmulas para determinar la carga de fondo 4.5.1 Fórmulas para determinar el material de fondo transportado por tracción Se pueden clasificar en 3 tipos (Bordas, M., Semmelmann, F., 1997): a) las que se sustentan en valores críticos de la competencia de la corriente para transportar los sedimentos (fórmula de Meyer Peter-Müller) b) las que consideran la turbulencia y sus efectos (fórmulas de Kalinske y de Einstein) c) las que relacionan la descarga sólida a la potencia del escurrimiento (fórmula de Bagnold) Meyer Peter-Müller (1948) gs=k*(x*τ-τc) 3/2 donde gs =descarga sólida en peso por unidad de ancho K= constante -intervienen las propiedades del sedimento t = tensión de corte sobre el fondo; tc = tensión de corte o fuerza tractiva crítica x = factor de corrección de forma de la sección y de las configuraciones del lecho 4.5.2 Fórmulas para determinar el material de fondo suspendido La ecuación de Rouse para la descarga de material de fondo suspendido establece que la descarga es la integración de la velocidad en el punto por la concentración (para el tamaño dado) desde el coronamiento de la capa de lecho a la superficie libre del agua. La carga de lavado tiene una presencia tan escasa en el lecho que no pueden determinarse fácilmente su composición (Colby, B. 1963). En 1958 Wisheimer y Smith desarrollaron la Ecuación Universal de Pérdidas de Suelo (USLE) en la cuenca, asociada a una tasa de transferencia (Sediment Delivery Ratio), para estimar la disminución de la producción bruta que puede esperarse como producto de la erosión en función de los depósitos de la cuenca (Bordas, M., Semmelmann, F., 1997). 5 Impactos antrópicos La acción del hombre sobre los suelos (usos del suelo) produce grandes impactos e incrementos en la producción de sedimentos y en la colmatación de depresiones. La colmatación produce alteraciones en la capacidad del río para evacuar los caudales, lo que aunado al incremento de las escorrentías y disminución de los tiempos de concentración de las crecientes, provoca mayores y más frecuentes inundaciones, pudiendo variar el curso y las divagaciones de los ríos. Las disminuciones de sección producen (por la ecuación hidráulica de continuidad) aceleraciones locales o cambios de velocidad, así como el río, buscando su equilibrio, producirá cambios en la profundidad de los canales, de su divagación, o en las secciones transversales. 6 Características de los ríos de la zona de estudio Ríos alóctonos importantes como el Bermejo o el Pilcomayo tienen elevada carga suspendida. En cambio los ríos cuyas nacientes son locales o regionales (autóctonos) son de aguas negras, debido a que no transportan arena en suspensión, sino limo y arcilla El Paraná refleja dos cargas sedimentarias completamente diferentes antes y después de su confluencia con el Paraguay. El río Paraguay presenta concentraciones medias de sedimentos suspendidos de 37 mg/litro antes de su unión con el Bermejo y posteriormente se eleva a 528 mg/litro (en desembocadura), con predominio de arenas finas. El 98% de su descarga en la desembocadura es carga suspendida. Incorpora el 52% de la descarga sólida en suspensión transportada a la altura de Corrientes, y del caudal sólido total se estima que el 40% pertenece al Paraguay. Gran parte de la carga del Paraguay es aportada a su vez por el Bermejo. El Bermejo tiene una concentración de sólidos suspendidos de 875 mg/litro. 6
7 Medición de sedimentos Cronogramas de trabajo distribuidos regularmente en el tiempo han inducido fuentes de error en la cuantificación de las descargas de sedimentos, al no tener en cuenta las variaciones del ciclo hidrosedimentológico. El método más apropiado (Nordin, 1980, apud Orefo, op.cit.) consiste en programas de muestreos que consideren la frecuencia, distribución espacial y duración de las distribuciones propias de los ciclos que se estudian. En aguas a muy bajas velocidades o aguas estancadas, se utilizan muestreadores instantáneos de forma cilíndrica, vertical u horizontal. Para grandes ríos se propuso un modelo prototipo (SS-NEA86, Orfeo, O. 1996c). Es un aparato pesado (aprox. 30Kg) que consta de depósito de gran capacidad, teletermómetro y molinete velocímetro. 8 Referencias y bibliografía consultada Bordas, M., Semmelmann, F., 1997. Elementos de engenharia de sedimentos. In: Tucci, C. 1997. (Organizador). Hidrología, ciencia y aplicación. 2ª. Edición. Ed. UFRGS, P.Alegre. pp.915-940. Colby, B. 1963. Fluvial sediments - a summary of source, transportation, deposition, and measurement of sediment discharge, USGS Bulletin 1181-A. Washington. 47p Derrau, M. 1965. Geomorfología. Ed. Alsina. Barcelona. p72-129. Guy, H. 1970. Fluvial Sediments Concepts, Chapter 1. USGS, Book 3, Applications of hydraulics, Denver. 55pp. Neiff, J. 1996. Large rivers of South America: toward the new approach. Verlagsbuchlandlung.Limnology, 26. pp167-180. Stuttgard. Orfeo, O. 1995b. Nueva jerarquización de barras y canales en grandes ríos entrelazados de llanura subtropical. IX Sesión de comunicaciones científicas y técnicas, FCEyNyA, UNNE, Ctes. p27. Orfeo, O. 1996a. Sedimentación en barras agradacionales del Río Paraná: significado de parámetros texturales. VI Reunión Argentina de Sedimentología. 1er. simposio de arcillas. Actas. Bahía Blanca. pp285-290. Orfeo, O. 1996c. Geomorfología del sistema fluvial Paraguay-Paraná en el área de su confluencia. XIII Congr. geológico Argentio, III Congreso de Exploración de Hidrocarburos. As. Geológica Argentina- IAPyG. Actas. Vol IV. Geol. del Cuaternario, Geom., Edaf., Glac., Hidrogeología, Geol. Ambiental. Buenos Aires. pp131-147. Spalletti, L. 1986. Nociones sobre Transporte y Depositación de Sedimentos Clásticos. UNLP. Fac. Cs. Nat. Y Museo. Serie Técnica y Didáctica N 13. La Plata. 102p. 7