Estimación de la carga en suspensión
Cálculo del arrastre de fondo
Estimación de la carga total
Cálculo de los sedimentos depositados en embalses
El cálculo de la pérdida de suelo a partir de la medida del movimiento de los sedimentos en las corrientes y los ríos tropieza con varios problemas. La realización de las mediciones lleva tiempo y resulta cara; su precisión puede ser baja; incluso si se dispone de datos correctos sobre el movimiento de una corriente no se sabe de dónde procede el suelo y cuándo se produjo el movimiento. Alguno de los problemas técnicos se examinan en Dickinson y Bolton (1992). Sin embargo, puede resultar útil hacer comparaciones del movimiento en diferentes corrientes, o en diferentes momentos del año, o de cuencas hidrográficas en las que se dan diferentes usos a la tierra. En el Capítulo 1 se explicó por qué unos datos cuantitativos necesitan pares de cuencas calibradas para que sean confiables y por qué se deben evitar los tratamientos "antes y después".
El movimiento de los sedimentos en las corrientes y ríos presenta dos formas. Los sedimentos en suspensión están constituidos por las partículas más finas mantenidas en suspensión por los remolinos de la corriente y sólo se asientan cuando la velocidad de la corriente disminuye, o cuando el lecho se hace más liso o la corriente descarga en un pozo o lago. Las partículas sólidas de mayor tamaño son arrastradas a lo largo del lecho de la corriente y se designan con el nombre de arrastre de fondo. Existe un tipo intermedio de movimiento en el que las partículas se mueven aguas abajo dando rebotes o saltos, a veces tocando el fondo y a veces avanzando en suspensión hasta que vuelven a caer al fondo. A este movimiento se le denomina saltación y es una parte muy importante del proceso de transporte por el viento; en la corriente líquida la altura de los saltos es tan reducida que no se distinguen realmente del arrastre de fondo.
Las cantidades relativas que avanzan en suspensión y el arrastre de fondo varían considerablemente. En un extremo, cuando el sedimento procede de un suelo de grano fino como el limo depositado por el viento, o una arcilla aluvial, el sedimento puede estar casi totalmente en suspensión. En el otro extremo, una corriente de montaña limpia y rápida puede tener cantidades insignificantes de materia en suspensión y casi la totalidad del movimiento de la grava, los guijarros y las piedras se produce en el lecho de la corriente. Concentraciones elevadas de sedimento como las que se dan en algunos ríos, como el río Amarillo de China y el Mississippi de los Estados Unidos, pueden causar cambios significativos en las propiedades de resistencia del agua. La viscosidad será mayor y la velocidad de asentamiento de las partículas inferior, por lo que el umbral entre el sedimento en suspensión y el arrastre del fondo resulta confuso.
El cálculo de la carga en suspensión por muestreo es relativamente sencillo, pero tomar una muestra representativa del arrastre de fondo resulta difícil. A continuación se examinan brevemente ambos tipos de muestreo, al igual que el cálculo del movimiento total de sedimentos y las estimaciones basadas en mediciones de la cantidad de los depósitos en los pozos o los lagos.
FIGURA 37 - Velocidad, concentración de los sedimentos y descarga de sedimentos en las corrientes
VELOCIDAD
CONCENTRACIÓN DE SEDIMENTOS
DESCARGA DE SEDIMENTOS
Existen varias causas posibles de error cuando se intenta de establecer una relación entre la cantidad del sedimento medido en las corrientes y la extensión de la erosión dentro de la cuenca hidrográfica.
En primer lugar, pueden existir cantidades importantes del material erosionado que no contribuyen al sedimento en la corriente debido a que se deposita antes de que llegue a ellas. La proporción de sedimento que llega a la corriente en comparación con el movimiento bruto de los sedimentos dentro de la cuenca se denomina relación de distribución. Esta puede ser apenas de 1% si existen depresiones o zonas con una espesa vegetación en las que se retiene la mayor parte del suelo. En un estudio de campo de 105 regiones de producción agrícola de los Estados Unidos, Wade y Heady (1978) descubrieron que las relaciones de distribución variaban entre el 0,1% y el 37,8% de la erosión bruta.
Una segunda causa posible de error es el factor tiempo. En una cuenca mayor el sedimento puede erosionarse y depositarse y sucesivamente volverse a erosionar y volverse a depositar cierto número de veces antes de que el sedimento llegue a la corriente. Una muestra de este sedimento podría incluir material erosionado en su origen varios años antes.
La tercera dificultad radica en que el sedimento de la corriente incluye materiales que proceden de diferentes fuentes con relaciones de distribución muy distintas. El sedimento procedente del derrumbe de las orillas de las zanjas o de las riberas de los ríos pasa inmediatamente al caudal de la corriente, mientras que la pérdida de suelo de una pequeña superficie cultivada y dentro de una cuenca en la que predominan los bosques podría tener tasas de erosión local elevadas, pero contribuir poco a la carga total de sedimentos.
Los cálculos de la descarga total de sedimentos en las corrientes pueden efectuarse mediante estimaciones de la concentración de los sedimentos y de la velocidad de la corriente. En la sección Método velocidad/superficie, en el Capítulo 4, se explicó cómo varía la velocidad en diferentes lugares de la corriente y cómo se puede calcular una velocidad media a partir de una serie de mediciones (Figura 22). La concentración de sedimentos varía asimismo, siendo normalmente mayor en el fondo, por lo que la cuantía de la descarga total de sedimentos es el producto de esas dos variables, como se indica en la Figura 37.
Muestras tomadas al azar
Muestreador integrador de profundidad
Muestreador de punto
Muestreador de bombeo
Toma continua de muestras
La forma más sencilla de tomar una muestra de sedimentos en suspensión consiste en sumergir un recipiente en la corriente, en un punto en el que esté bien mezclada, como aguas abajo de un vertedero o de escollos de rocas. El sedimento contenido en un volumen medido de agua se filtra, se seca y se pesa. Esto da una medida de la concentración del sedimento y cuando se combina con el caudal se obtiene la tasa de descarga de sedimentos.
Un estudio de diversas técnicas de muestreo en Sudáfrica puso de manifiesto que las muestras obtenidas con botellas sumergidas suelen dar concentraciones aproximadamente del 25% inferiores a las que se obtienen con técnicas más perfeccionadas (Rooseboom y Annandale 1981). Para muestras únicas tomadas excavando con palas o cucharas, se recomienda una profundidad de 300 mm por debajo de la superficie como una fórmula mejor que la de obtener muestras en la superficie. Si la muestra se puede tomar a cualquier profundidad, se recomienda la mitad de la profundidad del caudal dado que es la que permite obtener los mejores cálculos de la concentración media de sedimentos. Cuando el programa de muestreo consiste en muestras obtenidas en secciones verticales en diversos puntos a través de la corriente, el esquema recomendado consiste en utilizar seis secciones situadas a igual distancia como se muestra en la Figura 38.
FIGURA 38 - Esquema sugerido para el muestreo de sedimentos con puntos de muestreo a media profundidad del caudal
FIGURA 39 - Muestreador integrador de profundidad
Para tener en cuenta las variaciones en la concentración de sedimentos en diferentes puntos de una corriente, se puede utilizar un muestreador-integrador, es decir, un muestreador que obtiene una muestra única agrupando pequeñas submuestras tomadas en diferentes puntos. En la Figura 39 se ilustra un muestrador típico, que está constituido por una botella de vidrio metida en una armadura con forma de pez que se monta sobre una varilla cuando se quiere medir la altura de corrientes pequeñas o se suspende a un cable para corrientes mayores. Para que la botella se llene fácil y regularmente cuando se encuentra por debajo de la superficie es necesario que disponga de una boca para la entrada del agua, y de un tubo para permitir la salida del aire. La boca se suele diseñar con una sección transversal ligeramente ampliada detrás del punto de entrada para reducir el peligro de una presión contraria que podría obstaculizar la entrada de la corriente en la botella. Cuando se está utilizando, el muestreador se desplaza desde la superficie hasta el fondo y vuelve a la superficie recogiendo la muestra en forma continua. Unos pocos ensayos determinarán cuánto tiempo hace falta para que la botella se llene durante este doble viaje. Ningún tipo de muestreador de botella debe seguir recibiendo más líquido una vez que la botella está llena porque eso provoca una acumulación de sedimento en la botella. En algunos muestreadores-integradores en profundidad la botella se saca del curso de agua cuando se ha llenado o poco antes de que se llene; otros tipos de muestreadoras pueden tener algún dispositivo para detener la entrada de agua una vez que la botella está llena.
El muestreador de punto permanece en un lugar fijo de la corriente y toma muestras constantemente durante el tiempo que tarda la botella en llenarse. La apertura y el cierre de las válvulas del muestreador se controlan desde la superficie eléctricamente o por medio de cables. Se deben tomar muestras a varias profundidades en cada una de las diversas secciones verticales, tal como se describe en la sección Método velocidad/superficie en el Capítulo 4, para medir la altura de las corrientes por el método del molinete, de manera que las dos operaciones se realizan a menudo simultáneamente.
Otro método para obtener muestras a diversas profundidades del curso de agua es el empleo de muestreadores automáticos que toman una muestra a una profundidad predeterminada de la corriente. Un ejemplo típico es el que está representado en la Figura 40, utilizando una botella y dos tubos doblados. Los modelos comerciales utilizan tubos de cobre doblados a propósito, pero se puede utilizar un modelo más sencillo constituido por un tubo de plástico fijado a un marco rígido para que se mantenga en su sitio. La botella empieza a llenarse cuando la profundidad de la corriente alcanza el punto A y comienza el flujo de sifón a la botella; se para cuando la profundidad de la corriente se eleva al punto B que es la salida de la tubería que expele el aire. La amplitud de la toma de muestras se controla ajustando la distancia entre los puntos A y B. En su variante más sencilla los tubos de entrada y expulsión están curvados en forma de U; esto significa que la corriente en el muestreador está en ángulo recto con el curso de agua, lo cual puede obstaculizar la concentración de sedimentos; un modelo más perfeccionado tiene dos tubos con una segunda curva para dirigir las aguas arriba hacia la corriente, como en la Figura 42.
FIGURA 40 - Muestreador de punto
En Kenya se utilizó un ingenioso muestreador automático de fabricación artesanal, como el que se ilustra en la Figura 41. El funcionamiento se describe como sigue.
"Se recogen muestras de superficie a través de un tubo metálico con pequeños agujeros que sobresale aguas arriba para evitar la turbulencia. El tubo lleva el agua hacia un recipiente de medio litro dentro del cual hay una esfera de caucho flexible que flota y cierra herméticamente la botella por dentro cuando está llena."
"Se toman también muestras debajo de la superficie en un recipiente que inicialmente está cerrado por una esfera de caucho atada a una varilla que sobresale de otro recipiente invertido como se indica en el diagrama. La longitud de la varilla es tal que la botella superior empieza a flotar, abriendo de ese modo el recipiente muestreador, cuando el nivel del agua ha alcanzado el orificio del tubo en la otra tubería. Por consiguiente, las muestras se toman más o menos al mismo tiempo en la corriente en y debajo de la superficie. El recipiente que saca muestras de debajo de la superficie se cierra por dentro cuando está llena con una esfera flotante, como en el caso precedente. Se prepara otro conjunto de tuberías para tomar muestras de la corriente a un nivel superior, como se indica en el diagrama." (Pereira y Hosegood 1962).
Si es necesario tomar una serie de muestras a medida que la corriente crece, se puede montar un muestreador automático como se indica en las Figuras 42 y 43. La concentración del sedimento en suspensión suele ser mayor cuando la corriente está creciendo que cuando desciende.
FIGURA 41 - Dispositivo para muestreo simultáneo en la superficie de la corriente y en profundidad (de Pereira y Hosegood 1962)
FIGURA 42 - Conjunto de muestreadores para la toma progresiva de muestras cuando se produce un aumento del nivel
FIGURA 43 - Torre para muestreo de sedimentos (diseñado a partir de Hydraulics Research 1984)
Las muestras se pueden extraer de una corriente por bombeo manual como se indica en la Figura 44. Sin embargo, durante casi 20 años se ha dispuesto de muestreadores automáticos que pueden introducir por bombeo una pequeña muestra en una serie de recipientes, en tiempos e intervalos predeterminados o en función de condiciones de la corriente predeterminadas, normalmente la profundidad (USDA-ARS 1976). Inicialmente estos dispositivos solían ser grandes y pesados y podían dañarse en sus numerosos componentes eléctricos o mecánicos. No obstante, la electrónica ha dado origen a una nueva generación de muestreadores automáticos que son de menor tamaño, más confiables y económicos. Las ilustraciones de las Fotografías 32 y 33 son dos ejemplos de ello. Los programadores y cronometradores modernos conectados a una desviación de la corriente o a un transductor de presión en la corriente permiten una variedad casi infinita de programas de toma de muestras. Son posibles desniveles de aspiración de hasta seis metros, por lo que el muestreador puede colocarse por encima del nivel de la corriente. La Fotografía 34 ilustra un muestreador Wallingford con un aforador en Filipinas.
Los modelos de caudales que aumentan y disminuyen y las variaciones de la concentración de sedimentos en diferentes caudales, pueden en cierta medida preverse a partir de observaciones; pero los muestreadores automáticos más perfeccionados no pueden predecir lo que va a suceder a continuación. Un muestreador por bombeo automático puede actuar exactamente como está programado y tomar la serie de muestras necesaria cuando el caudal aumenta y disminuye; si en ese momento se produce una violenta tempestad en la cuenca hidrográfica que origina un caudal aún mayor, no podrán tomarse muestras porque los recipientes ya están llenos. La única forma de evitar que esto suceda consiste en disponer de un sistema de medición continua de las concentraciones de sedimentos, para lo que existen dos métodos.
Un turbidímetro óptico pasa por un rayo de luz a través del agua cargada de sedimentos desde una fuente situada a un lado de un canal hasta un sensor situado en el otro lado. El sensor puede medir el grado en que la luz es absorbida por las partículas de sedimento, o sea el principio de atenuación; también se puede medir el grado en que la luz se dispersa por las partículas en suspensión, lo que se denomina el principio de dispersión. Los muestreadores de bombeo, pueden programarse para que reaccionen a combinaciones de profundidad de la corriente y tiempo, y los datos se registran en un dispositivo de sólo lectura de memoria (ROM); es posible así almacenar gran cantidad de datos. Se han creado modelos de turbidímetros de buen funcionamiento en Sudáfrica (Grobler y Weaver 1981) y en Indonesia (Brabben 1981).
En los aforadores nucleares que miden la absorción de la dispersión de las radiaciones gama en lugar de la luz se utiliza un principio similar. Walling (1988) informa de la utilización positiva de esos instrumentos en muchos países y sugiere que, "sin embargo, los instrumentos son más complicados que los turbidímetros ópticos y se han limitado principalmente a mediciones experimentales especializadas y no a la supervisión de rutina",
FOTOGRAFÍA 32 - Moderno muestreador comercial de bombeo (Rock y Taylor) - a
FOTOGRAFÍA 32 - Moderno muestreador comercial de bombeo (Rock y Taylor) - b
Mediciones directas
Muestreador
Trazadores radioactivos
Estimación empírica
La forma más sencilla de calcular el arrastre de fondo consiste en cavar un agujero en el lecho de la corriente como en la Figura 45 y en retirar y pesar el material que cae en él. La cuenca aguas arriba de un vertedero o canal de aforo puede actuar análogamente como una trampa de sedimentos, pero es posible que no se sepa si se ha recogido todo el arrastre de fondo. En los lugares con grandes cargas de arrastre, este procedimiento puede necesitar mucho tiempo y resultar engorroso.
El cálculo del arrastre de fondo se puede efectuar a partir de muestras recogidas por un dispositivo que está situado por debajo del lecho de la corriente durante un tiempo determinado y que luego son extraídas para pesarlas. Se han utilizado numerosos dispositivos y su variedad demuestra la dificultad que existe para tomar una muestra exacta y representativa. Los problemas que plantean los muestreadores del arrastre de fondo son:
· El muestreador perturba la corriente y modifica las condiciones hidráulicas en su punto de entrada.
· El muestreador tiene que descansar en el lecho de la corriente y tiende a hundirse en él al producirse una socavación en torno suyo.
· Para mantenerse estable en el fondo tiene que ser pesado, lo que dificulta su uso cuando se lo baja desde puentes o desde torres construidas con ese fin.
· Un muestreador tiene que reposar sobre un lecho razonablemente liso y no estar apoyado encima de piedras o cantos rodados.
FIGURA 45 - Trampa de arrastre de fondo
FIGURA 46 - Muestreador de arrastre de fondo
La forma más sencilla es una cesta de alambre con una aleta estabilizadora como se ilustra en la Figura 46. El material que toma este modelo es reducido porque interfiere con la corriente y cierta cantidad de materia cada vez mayor a medida que la cesta se llena, se desvía en torno al muestreador. Esto se puede describir diciendo que la contrapresión reduce la corriente en el muestreador, lo cual transmite una imagen clara sin entrar a analizar la mecánica de la corriente fluida. Algunos muestreadores tienen una sección de dispersión detrás del orificio, lo que permite la entrada en el mismo a la misma velocidad de la corriente circundante. Estos muestreadores se denominan de diferencia de presión; la Figura 47 ilustra un ejemplo de ellos.
FIGURA 47 - Muestreador de arrastre de fondo con diferencial de presión en la entrada
En varios estudios se hace referencia al empleo de indicadores radioactivos para vigilar el movimiento del arrastre de fondo. La técnica consiste en insertar en la corriente un trazador radioactivo en una forma similar al arrastre de fondo, es decir, que debe tener la misma forma, dimensión y peso que el sedimento natural. El movimiento aguas abajo puede así vigilarse utilizando detectores portátiles. Otra solución consiste en aplicar el trazador a la superficie de un sedimento que se produce de manera natural, o incorporarlo a materias artificiales que se pueden radioactivar por medio de irradiaciones (Tazioli 1981).
CUADRO 10 - Clasificación de Maddock para calcular el arrastre de fondo (Maddock 1975)
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Concentración del sedimento en suspensión (partes por millón) |
Material del lecho del río |
Textura de los elementos en suspensión |
Descarga del arrastre de fondo expresada como % de la descarga de los sedimentos en suspensión |
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menos de 1000 |
arena |
similar al lecho del río |
25-150 |
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menos de 1000 |
grava, rocas, arcilla dura |
bajo contenido de arena |
5-12 |
|
1000 - 7500 |
arena |
similar al lecho del río |
10-35 |
|
1000-7500 |
grava, rocas, arcilla dura |
25% de arena o menos |
5-12 |
|
más de 7500 |
arena |
similar al lecho del río |
5-15 |
|
más de 7500 |
grava, rocas, arcilla dura |
25% de arena o menos |
2-8 |
FIGURA 48 - Muestreador ranurado para la carga total
La dificultad de obtener mediciones confiables del arrastre de fondo ha dado motivo a algunos intentos de calcularlo a partir de parámetros más fácilmente medibles; sin embargo, su uso no está difundido. Un método sencillo basado en el conocimiento de la concentración de los sedimentos en suspensión, de la textura de la materia en suspensión y de la materia del fondo se indica en el Cuadro 10. Einstein (1950) elaboró un método complicado que posteriormente se ha modificado y mejorado. Existen muchas otras fórmulas teóricas y su precisión y confiabilidad son discutibles.
Un método para evitar cálculos separados de la carga de suspensión y del arrastre de fondo consiste en mezclar todo el sedimento en movimiento y tomar una única muestra de la mezcla. Un canal de medición de la turbulencia es una estructura construida ex profeso con obstrucciones en el lecho de la corriente para crear la máxima turbulencia posible antes de que la corriente pase a través de un vertedero donde se toman muestras. El mismo efecto se puede conseguir con un muro de rocas en el lecho de la corriente o cuando el caudal pasa a través de una apertura reducida como un puente o una alcantarilla. El material arrastrado de mayor tamaño se asentará en el lecho rápidamente por lo que la muestra se debe tomar sin demora con un recipiente que se llena con la mezcla.
En las corrientes mayores las muestras se pueden tomar en un canal de aforo de turbulencia utilizando un muestreador de ranura como se muestra en la Figura 48 (Barnes y Johnson 1956). Brown, Hansen y Champagne (1970) describen una aplicación de este método. La ranura de toma de muestras es estrecha y tiene los bordes afilados; el agua y el sedimento caen en el muestreador a través de una tubería o canal que conduce a un recipiente. La ranura no debe ser demasiado pequeña para que no quede bloqueada por basura y para que pueda captar partículas más grandes; por ejemplo, una ranura con un ancho de 5 mm en un vertedero de 5 m de ancho tomará una muestra de un milésimo de la corriente. Si a pesar de ello sigue siendo demasiado grande para ser manejada con facilidad, se podrán utilizar otras subdivisiones, sea un divisor de ranuras o una rueda muestreadora tal como se describe en el Capítulo 3. Entre las dificultades que plantea este método cabe mencionar las siguientes:
· el divisor de ranuras puede afectar a la corriente en su entrada en la ranura;
· la ranura puede quedar bloqueada por basuras flotantes;
· la concentración del sedimento puede no ser igual a través del ancho del vertedero;
· el arrastre grueso de fondo puede no mezclarse de manera homogénea o simplemente no recogerse.
A escala mucho menor, en Australia existe un dispositivo que toma una muestra de la carga total en canales muy pequeños como surcos o surcos pequeños en tierras cultivadas utilizando un pequeño recipiente de plástico como se muestra en la Fotografía 35. Para evitar problemas de entrada se aplica una aspiración reducida.
La medición de la cantidad total de sedimentos depositados en pozas o embalses evita la cuestión de la relación de distribución de los mismos pero, a menos que el embalse sea lo suficientemente grande como para contener la totalidad de la escorrentía, parte del sedimento pasará por encima del aliviadero del embalse. La proporción de sedimentos recogida se denomina eficiencia de captura y depende de:
· la dimensión de la trampa en comparación con la cantidad del caudal de entrada, es decir la proporción del caudal que se recoge en el embalse, y
· la velocidad de la corriente a través del embalse que, combinada con la dimensión de las partículas del material en suspensión, determina el tiempo que falta para que el sedimento se asiente en el embalse. La eficiencia de captación puede calcularse a partir de la Figura 49 (Bruñe 1953).
Es necesario realizar levantamientos topográficos de las cuencas de los embalses naturales o artificiales, precisos y a intervalos, para calcular la acumulación. En un embalse que se seca totalmente de un levantamiento topográfico esto es relativamente sencillo. Cuando el embalse está parcialmente inundado, el levantamiento debe realizarse desde botes y el nivel de los sedimentos se puede determinar por medio de un sondeo de control o de una sonda acústica. Es asimismo necesario tomar muestras y determinar la densidad del sedimento para calcular el peso de la medición a partir del volumen.
La situación ideal es llevar a cabo el levantamiento una vez que el embalse se haya terminado y antes de que empiece a llenarse; los embalses existentes se pueden utilizar para comparar levantamientos topográficos sucesivos a lo largo del tiempo. En todos los casos es sumamente conveniente establecer una línea de referencia permanente para que en levantamientos sucesivos se utilicen las mismas secciones transversales. Un buen ejemplo de esta técnica es el trabajo de Rapp en Tanzania (1977).
Actualmente se dispone de programas de informática para calcular el volumen almacenado a partir de la relación del área superficial con la profundidad del agua (a lo que se designa con el nombre de curva nivel/superficie); el peso total del sedimento se puede calcular a partir de su volumen y densidad.
FIGURA 49 - Eficiencia de captación de los embalses (de Bruñe 1953)
