SEDIMENTOS Laura Ibáñez Castillo
SEDIMENTOS
e a e nom re gen r co e se men os a as partículas procedentes de las rocas o suelos y que son acarreadas por las aguas que escurren. Todos estos materiales, después de cierto acarreo finalmente son depositados a lo largo de los propios cauces, en lagos, en presas de almacenamiento, en la planicie y hasta el mar.
SEDIMENTOS
e a e nom re gen r co e se men os a as partículas procedentes de las rocas o suelos y que son acarreadas por las aguas que escurren. Todos estos materiales, después de cierto acarreo finalmente son depositados a lo largo de los propios cauces, en lagos, en presas de almacenamiento, en la planicie y hasta el mar.
Erosión hídrica por deslizamiento (deslaves) en laderas, transporte y depositación de sedimentos en cauces de ríos
FUENTES DE SEDIMENTOS
uen e pr nc pa : sue os y rocas que se encuen ran en a cuenca Principales agentes de erosión y transporte: agua y viento. Pero en general LAS FUENTES SON NATURALES Y ARTIFICIALES: : ros n e a su super c e e erreno, ros n e cauce principal y sus tributarios y deslizamientos naturales del terreno. ARTIFICIALES: Destrucción de la vegetación, sitios de construcción (vías de comunicación, ciudades), Explotación de minas y desechos urbanos e industriales.
DEFORESTACIÓN, ESCURRIMIENTOS Y PÉRDIDA DE SUELO
TRANSPORTE DE SEDIMENTOS POR CORRIENTES Cuando el sedimento es transportado por el flujo se diferencian dos grandes grupos de sedimentos: •SEDIMENTO DE LAVADO: partículas muy finas como limos y arcillas y que el agua transporta en suspensión •SEDIMENTO DE FONDO: partículas mayores a 0.062 mm y pueden ir dentro de la capa de fondo (arrastre) o en suspensión (según Einstein la capa de fondo es aquella cuya altura es igual a 2 veces el diámetro de la partícula). EL TRANSPORTE DE FONDO DEPENDE DE LAS (HIDRAULICA FLUVIAL) Y EN CAMBIO UN RÍO PUEDE TRANSPORTAR TANTO MATERIAL DE SUSPENSIÓN COMO LLEGUE A EL, INDEPENDIENTEMENTE DE SUS CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS.
SEDIMENTOS DE ARRASTRE DE FONDO Se conocen hasta 17 ecuaciones para calcularlas. Una de ellas es la MEYER-PETER Y MULLER:
qB
=8
3/2
Dm g
1/2
1/2
∆
n ' n
3/2
− 0.047 ∆ Dm
3/2
RS
Donde: qB= transporte unitario de sedimentos expresado en volumen (m 3 /s m) Dm = diametro medio, m ∆ = densidad relativa de las partículas dentro del agua =(γ s – γ)/γ Γs y γ = peso espeficico de las partículas y del agua
….Continua Meyer, Peter and Muller Donde: R = radio hidráulico S = pendiente hidráulica del escurrimiento n = número de manning D90= diámetro de la curva granulómetrica tal que el 90% de las partículas son menores que este diámetro
´
n
=
1 / 6 90
D
26
Volumen de arrastre de fondo del cauce si llegara a depositarse V B
Donde: =
=
B
(1 − η )
3
b = ancho del fondo del cauce, m
∆t = intervalo de tiempo η = porosidad del material depositado
SEDIMENTOS EN SUSPENSIÓN TODAS LAS CORRIENTES LLEVAN MATERIALES SUSPENDIDOS, LOS CUALES TIENDEN A TRANQUILIZARCE EN EL FONDO DEL CANAL, O BIEN DICHAS PARTICULAS LLEGAN A UN EMBALSE DONDE SU VELOCIDAD Y TURBULANCIA SON REDUCIDOS. LAS PARTICULAS PEQUEÑAS PUDEN PERMANACER EN SUSPENSIÓN POR UN TIEMPO LARGO Y ALGUNAS VECES CRUZAN LA PRESA A TRAVÉS DE COMPUERTAS, TURBINAS O VERTEDORES PARA DETERMINAR LA CANTIDAD DE SEDIMENTOS SUSPENDIDOS SE REALIZAN MEDICIONES EN LAS CORRIENTES Y DICHAS MUESTRAS SON . SEPARAR LOS SEDIMENTOS. LOS SEDIMENTOS SON SECADOS Y PESADOS EXPRESANDO SU CONCENTRACION EN EL AGUA EN UNIDADES DE EN PARTES POR MILLON (ppm). EL PROGRAMA BANDAS REPORTA CONCENTRACIONES DE SEDIMENTOS EN LOS RÍOS.
Nivel de la superficie libre de agua
=
asto s
o tota
QBD1= Gasto sólido de sedimentos en suspensión QBD2= Gasto sólido de sedimentos en suspensión cerca del fondo Q84= Gasto sólido de sedimentos en contacto con el fondo QT= QBD1 + QBD2 + Q84
QT
QBD1 6
Botella DELFT (BD1)
Botella DELFT con armazón (BD2) Muestreador de transporte de fondo (US-BL84)
QBD2 0.5 m 0.05 m
Q84
Q84
US BLBL-84
Transporte cerca del fondo
Botella Delft con armazón (5(5-50 cm del
Transporte en suspensión
Botella Delft sin armazón
Transporte en suspensión
MEDICIÓN DE SEDIMENTOS
MEDICIÓN DE SEDIMENTOS EN UN VASO
- e c n e se men os so re a corr en e a a en ra a e em a se - Medición directa en el embalse mediante levantamientos batímetricos - Predicción de azolves, entre ellos con la fórmula universal de pérdida del suelo (aplicando la proporciòn de desplazamiento del sedimento) o con la formula universal modificada de pèrdida de suelo.
Ecuación Universal de Pérdida de Suelo (EUPS). A = R * K * L * S * C * P A = Pérdida de suelo (t/ha).
. K = Factor erosionabilidad del suelo (t ha h/ ha Mj mm). L = Factor longitud de la pendiente (adimensional). S = Factor grado de la pendiente (adimensional). C = Factor uso y manejo del suelo y vegetación (adimensional). P = Factor de prácticas mecánicas (adimensional).
PRODUCCIÓN DE SEDIMENTOS No todo lo que se calcula como erosión en la ecuación parte del material irá siendo depositado o atrapado. Esa parte que sigue su ruta hasta un punto tal como una presa es llamado tasa de sedimentos. Lo que se calcula con la ecuación se multiplica por delivery ratio): Sedimento = erosión x proporción de desplazamiento
PROPORCIÓN DE DESPLAZAMIENTO DEL SEDIMENTO Area Area Drenaje (km2) 0.1 0.5 1.0 5.0 . 50.0 100.0 200.0
Proporción de Desplazamiento % 53.0 39.0 35.0 27.0 . 15.0 13.0 11.0
PRODUCCIÓN DE SEDIMENTOS DEBIDO A ESCURRIMIENTOS (MUSLE). (MUSLE). No ocupa multiplicarse por proporción de desplazamiento
Y = 11.8 (Q x qp)0.56 K x L x S x C x Pm Y= Sedimentos aportados a una sección del cauce para una tormenta determinada sobre la cuenca (t/ha) Q=Escurrimiento medio por evento de lluvia (m 3) qp=Escurrimiento máximo por evento de lluvia (m 3 s-1) K=Factor de erosionabilidad del suelo (t ha h MJ -1 mm-1 ha-1) = S=Factor de grado de la pendiente (adimensional) C =Factor de cobertura vegetal y manejo de cultivos (adimensional) Pm=Factor de las prácticas mecánicas de control de la erosión (adimensional)
Precipitación, Vegetación y producción de sedimentos
RELACIÓN CAUDAL vs. PRODUCCIÓN DE SEDIMENTOS
LA RELACIÓN ENTRE EL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS SUSPENDIDOS Qs Y Y EL FLUJO DE LA CORRIENTE Q PUEDE SER EXPRESADA MATEMATICAMENTE Y Y GRAFICADA EN PAPEL LOGARÍTIMICO FORMA MATEMATICA
QS
=
aQ
n
Qs = sedimentos transportados en ton Q = caudal en m3 /s
VALORES DE a y n para Qs en tons y Q en m3/s
CUBIERTAVEGETAL Plantas de Hoja ancha y coníferas Bosque de coníferas y Pastos altos Pasto bajo y arbustos Desiertos con arbustos
n 1.02
a 4,000
0.82
59,000
0.65 0.72
177,000 446,000
PRODUCCIÓN DE SEDIMENTOS
PRESAS DE ALMACENAMIENTO Y REDUCCIÓN DE SU CAPACIDAD POR AZOLVAMIENTO
VOLUMEN AZOLVES EN UN VASO DE ALMACENAMIENTO
Vaz
=
c
a
wt
N = número de años de vida útil R = producción anual de sedimentos, ton/Km2 Ac= area de la cuenca, Km2 wt = peso específico wt de los sedimentos, kg/m3 Ea = eficiencia de atrapado del embalse, adimensi. La cual es función del cociente X X = Capacidad de almacenamiento/escurrimientos anuales
EFICIENCIA DE ATRAPADO DE SEDIMENTOS EN LA PRESA
La eficiencia de atrapado de una presa es la proporción del sedimento que viene en los escurrimientos y que es atrapado en el embalse 1 .5
1 E a = 1001 − 1 + 100 X
Ea =sedimentos atrapados en % X = cociente de capacidad de almacenamiento entre escurrimientos anuales
VOLUMEN DE SEDIMENTOS, m3
V S
=
C
wt
R= producción de sedimentos por unidad area de la cuenca, Ton/Km2 = Qs/Ac Ac = area de la cuenca en km2 wt = peso específico o densidad aparente de los sedimentos, kg/m3
AZOLVE DEL EMBALSE EL ULTIMO DESTINO DE TODOS LOS SEDIMENTOS SON LOS FONDOS DE LOS EMBALSES. GRANDES PRODUCCIONES DE SEDIMENTOS ACORTAN LA VIDA ÚTIL DE UN EMBALSE. PARA DETERMINAR LA CAPACIDAD MUERTA DE UN EMBALSE (PARA AZOLVES) SE DEBE CONSIDERAR LA PRODUCCIÓN DE SEDIMENTOS PARA LOS N AÑOS AÑOS DE VIDA ÚTIL PLANEADA PARA EL EMBALSE. EL PESO ESPECÍFICO DEL SEDIMENTO VARIA DE ACUERDO A LA EDAD DEL DEPOSITO ( T EN AÑOS) Y DEL TIPO DE SEDIMENTO.
W =
% ARENA 100
(W 1 + B1 logT ) +
% LIMO 100
(W 2 + B2 logT ) +
% ARCILLA 100
(W 3 + B3 logT )
CONSTANTES PARA CALCULAR PESO ESPECÍFICO (lb/ft3) EN T AÑOS
Multiplicar por 16.1 para que el peso específico sea en kg/m3
CONSTANTES PARA CALCULAR PESO ESPECÍFICO (kg/m3) EN T AÑOS
W1
W T =
W2
W3
Sedimentos siempre sumergidos
1490
0
1040
91.3
480
256
Embalse moderadamente vacio
1490
0
1185
43.2
737
171.4
Embalse considerablemente vacío
1490
0
1265
16.0
961
96.1
Embalse normalmente vacío
1490
0
1314
0
1249
0
% ARENA
% LIMO
100
100
(W 1 + B1 logT ) +
(W 2 + B2 logT ) +
% ARCILLA 100
(W 3 + B3 logT )
Tiempo que lleva azolvar ese volumen a “perder”
t S
=
per er
V S × E a
Vperder= volumen de la presa que será perdido por azolvamiento, m3 Vs = volumen de sedimentos por año, m3 /año Eq = eficiencia de atrape, adimensional
CONTROL DE SEDIMENTOS EN EMBALSES
LA SEDIMENTACIÓN NO PUEDE SER PREVENIDA PERO SI RETARDADA. UNA FORMA DE HACER ESTO ES SELECCIONAR UN SITIO DONDE EL FLUJO DE SEDIMENTOS SEA BAJO. METODOS DE CONSERVACIÓN DE SUELO (TERRAZAS, CULTIVOS EN CONTORNO) PROTEGER MARGENES DE LOS RÍOS VEGETANDOLOS O REVISTIENDOLOS BARRERAS NATURALES QUE ATRAPAN LOS SEDIMENTOS ANTES DE LLEGAR A LAS PRESAS DESAZOLVAR LA PRESA (DRAGANDO) DEFLOCULAR EL SEDIMENTO COMPACTADO Y QUE PASE COMO LIQUIDO
