PARTE III. PROCESOS FLUVIALES

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PARTE III. PROCESOS FLUVIALES

Desde el punto de vista de la hidráulica fluvial, todos los ríos están sujetos en mayor o menor grado a procesos de erosión o degradación, equilibrio y sedimentación o agradación. Un río se considera en estado de equilibrio cuando no varía el perfil del fondo y de las márgenes del cauce y por lo tanto, existe compensación entre los sedimentos que son transportados hacia el sitio y desde el sitio. Degradación se manifiesta cuando el nivel del lecho baja o si las márgenes se desplazan hacia afuera, lo que se presenta cuando la carga de sedimentos es inferior a la capacidad de transporte del flujo de agua. Agradación ocurre si el nivel del lecho baja o si las márgenes se desplazan hacia afuera, lo que se presenta cuando la carga de sedimentos es inferior a la capacidad de transporte del flujo de agua. Estos procesos se aceleran e intensifican durante crecientes, que además originan el problema de las inundaciones sobre todo en las zonas planas aluviales de los ríos. Los cambios morfológicos en los ríos pueden deberse a causas naturales o antrópicas. Las intervenciones humanas sobre un sistema hidráulico pueden desencadenar procesos a altas velocidades que naturalmente tardarían mucho tiempo en producirse y en algunos casos pueden llegar a ser irreversibles. •

Causas naturales

- Migración lateral y longitudinal del cauce - Corte de meandros - Erosión de orillas - Incisión de cauces - Formaciones de lecho como barras e islas - Procesos de orillares •

Causas antrópicas

- Construcción de obras hidráulicas como presas, diques, espolones, puentes, corte artificial de meandros, revestimientos del cauce. - Actividades de minería en la cuenca pueden generar la producción de sedimentos que al ser conducidos al cauce aumentan las posibilidades de agradación. - Cambios en la aptitud de uso del suelo; por ejemplo zonas agrícolas pasan a ser urbanas, cambios inapropiados de cultivos. - Aterramiento de lagunas, desecación de pantanos. Los procesos relevantes desde el punto de vista de la dinámica fluvial, agrupados en tres son: degradación, agradación e inundación y se tratan a continuación de manera introductoria.

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1. Degradación La degradación de un cauce se refiere a la pérdida de material en una zona del río y es el producto del desequilibrio entre el aporte sólido que trae el agua a una cierta sección y la mayor cantidad de material que es removido por el agua de esa sección. La posibilidad de arrastre de los materiales en cada punto se considera dependiente de la velocidad media del agua y de la velocidad media requerida para arrastrar las partículas de sedimento. Para suelos sueltos, esta velocidad es la que mantiene un movimiento generalizado de partículas; para suelos cohesivos, es la velocidad capaz de ponerlos en suspensión. A continuación se explican brevemente los procesos de degradación incluyendo: remoción en masa, migración y divagación de un cauce, socavación a largo plazo, socavación general y socavación local. 1.1 Remoción en masa Los fenómenos de remoción en masa (procesos que en la actualidad tienden a ser identificados como movimientos en masa), según se describe en INGEOMINAS-CVCEscuela Colombiana de Ingeniería, 2001, comprenden una gran variedad y complejidad de movimientos ladera abajo de material geológico debidos a la fuerza de la gravedad. En un concepto amplio, se puede aceptar que los fenómenos de remoción en masa incluyen la pérdida de materiales por deslizamiento de taludes y por erosión de laderas. El término deslizamiento puede incluir movimientos en masa tan diferentes en su mecanismo como caída de rocas, flujo de lodos o subsidencia del terreno. En el caso de la erosión, existe un agente externo (agua, hielo, viento, variaciones térmicas, organismos vivos o el hombre) capaz de arrancar y transportar materiales de una ladera o de las bancas de un cauce. La Figura 1.1 ilustra diferentes tipos de movimientos en masa.

Desprendimiento de bloques

Hundimiento del suelo

Deslizamiento o flujo de barro y lodo

Deslizamiento circular

Deslizamiento de ditritus o escombros

Figura 1.1. Tipos de movimientos en masa. HEC-21. 2001. La Figura 1.2 a) corresponde a una foto que ilustra la erosión marginal en una orilla del río Desbaratado y la Figura 1.2 b) muestra el mecanismo de falla de una ladera compuesta de suelo no cohesivo en la capa inferior y suelo cohesivo en la capa superior. UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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Cohesivo No cohesivo

b) a) Figura 1.2 a) Erosión marginal, foto tomada en el río Desbaratado. b) Ejemplo de un tipo de falla de laderas. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001). 1.2 Migración y divagación de un cauce La migración de un cauce se presenta especialmente en curvas unidas por tramos rectos que dan origen a los meandros, caracterizados por la capacidad de arrastre de sólidos, mayor en la parte externa en donde se origina erosión, que en la parte interna en donde existe depositación de sedimentos. La divagación de la corriente es el movimiento que ocurre eventualmente en el cauce principal dentro del plano de inundación propio de zonas bajas inundables y de piedemonte. Las corrientes son dinámicas por el desplazamiento permanente de las bancas, en tanto que las estructuras hidráulicas tienden a ser estáticas al fijar la corriente en un lugar, en tiempo y en espacio. Por ésto, la migración natural y la divagación pueden poner en peligro la estabilidad de obras civiles como viviendas, puentes, vías de comunicación y obras de control fluvial, por lo que estos procesos deben ser tenidos en cuenta en su diseño, construcción y mantenimiento. La Figura 1.2 a) ilustra con una foto el problema causado por la socavación debida a la migración lateral de la corriente que está afectando la población de Cantarito sobre el río Palo. En la Figura b) se esquematiza el movimiento de un cauce que originalmente seguía la línea sólida pero que por su movilidad tiende a ir incrementando la sinuosidad del meandro y cambiando el curso a la línea punteada.

b) a) Figura 1.2 a) Tendencia a la migración lateral en tramos curvos, foto tomada en Cantarito, Río Palo. b) Esquema del movimiento de un meandro. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001). UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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El transporte y la acumulación de sedimentos durante una crecida dependen de la duración de ésta y de la calidad y cantidad de sedimentos disponibles. Los riesgos directos sobrevienen cuando se llevan a cabo obras dentro del lecho del río o en las riberas adyacentes, que pueden ser parcial o totalmente dañadas. Los riesgos indirectos se relacionan con el incremento de la inestabilidad y movilidad del cauce a consecuencia de la descarga de sedimentos en el lecho y en la llanura baja de desbordes del río. En general, los factores que afectan la migración y la divagación de un cauce son: • • • •

Geomorfología de la corriente Localización de las obras hidráulicas en la zona Características del flujo Características del material del lecho y las bancas 1.2.1

Corte de meandros

Otro problema se presenta cuando el flujo tiende a cortar el meandro lo cual puede ocurrir por procesos naturales o antrópicos. La inestabilidad del cauce significa cambios en la geometría, que ocurren para intentar restablecer condiciones de equilibrio que se pierden durante crecientes. En el terreno, ésto se refleja en un desplazamiento, captura o modificación de los meandros, que en algunos casos generan rectificación del cauce y aparición de madres viejas, que con el tiempo empiezan a ser utilizadas para diferentes fines como agrícolas, habitacionales, recreacionales, etc. Sin embargo, se debe tener en cuenta que en condiciones de crecida, el río puede reactivar cauces abandonados y modificar o remodelar su trazado, causando problemas si es que estas zonas han sido ocupadas, olvidando la gente lo que es la memoria del agua, al tender los ríos a recuperar sus antiguos cauces.

Figura 1.3. Río Magdalena, Meandro Pinillos casi a punto del corte natural. Cortesía Lilian Posada. 1.3 Socavación a largo plazo y agradación La socavación del cauce a largo plazo se refiere a la tendencia a la degradación que el lecho presenta a lo largo del tiempo debido a causas externas, ya sean naturales o inducidas por el hombre, pero sin tenerse en cuenta eventos extremos o crecientes. Por no ser de naturaleza transitoria, o sea que no se presenta durante crecientes, la socavación a largo plazo se considera de tipo permanente. Algunos autores la llaman socavación general a largo plazo pues se manifiesta en grandes extensiones a lo largo del cauce. El fenómeno contrario es la agradación. UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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La elevación del lecho del cauce cambia a través del tiempo debido a causas naturales o artificiales como son: construcción de presas, corte natural o artificial de meandros, canalizaciones, cambios en el control aguas abajo (presas, formaciones rocosas, tributarios o confluencias), extracción de materiales, desviación de agua desde o hacia el cauce, movimientos naturales del cauce, modificaciones en el uso del suelo de la cuenca de drenaje (urbanización, deforestación, etc.). La Figura 1.4 a) esquematiza el efecto de la extracción de materiales de un cauce que produce discontinuidad y descenso del lecho, intersección de sedimentos provenientes de aguas arriba, aumento de la pendiente del cauce hacia aguas arriba al tratar de empatar el fondo del hueco dragado con el lecho original, disminución de la pendiente del cauce hacia aguas abajo al tratar de empatar el fondo del hueco dragado con el lecho original. Figura 1.4 b) es una foto correspondiente a la explotación de materiales que se realiza en el río Palo, hacia aguas arriba de la población de Guachené.

a)

b) Figura 1.4 a) Efecto de la extracción de sedimentos en un río. Martín V., J. P. 1997. b) Extracción de sedimentos río Palo aguas arriba de Guachené. La degradación del cauce hace que el fondo se profundice, a lo que también se llama incisión. Este proceso puede llevar a cambios en el ancho de la sección transversal que usualmente se amplia en cauces aluviales, tal como se ilustra en la siguiente Figura 1.5.

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Figura 1.5. Evolución de los cauces incisados. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001). 1.4 Socavación general La socavación general es el descenso generalizado del fondo del río como consecuencia de una mayor capacidad de la corriente para arrastrar y transportar sedimentos del lecho durante crecientes. Ocurre a todo lo largo del río y no necesariamente se debe a factores humanos como la construcción de un puente o de otra estructura. La socavación general difiere de la socavación a largo plazo, que es permanente, puesto que al ocurrir durante crecientes se considera de carácter transitorio o cíclico. El descenso del lecho puede ser uniforme o no uniforme a través de la sección transversal. El fenómeno es todavía poco conocido siendo lo único seguro las medidas de campo pues los métodos de cálculo son apenas una lejana representación del comportamiento físico que ocurre en la realidad. La socavación general es debida principalmente a la contracción del flujo ya sea en sentido vertical y horizontal, que ocasiona la remoción de material a través de todo o casi todo el ancho del cauce. La socavación general es causada principalmente por la disminución del ancho del flujo ya sea por causas naturales o artificiales (puentes) o por el cambio en el control aguas abajo de la elevación de la superficie del agua. La causa mas común de socavación por contracción es la reducción de la sección del flujo por los terraplenes de acceso a un puente y en menor grado por las pilas que bloquean parte de la sección recta. Diques para control de inundaciones o estructuras transversales como espolones construidos en el cauce, también son causantes de contracción lateral. La obstrucción es grande si las estructuras se proyectan hasta el cauce principal o si interceptan amplias zonas de inundación. La disminución en la sección mojada implica aumento de la velocidad media UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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del agua y del esfuerzo cortante. Por lo tanto, se presenta aumento en las fuerzas erosivas en la contracción ocasionando que la cantidad de material del lecho que es removido supere al que es transportado hacia el sitio. El aumento en velocidad produce el incremento en el transporte de material haciendo que el nivel del lecho descienda, que la sección mojada aumente, por lo que la velocidad y el esfuerzo cortante nuevamente disminuyen, haciendo que el equilibrio del río se vaya restableciendo con el tiempo. Esta situación de equilibrio se da cuando el material que es removido es igual al material que es transportado hasta el sitio en consideración. La Figura 1.6 a) ilustra el efecto de la contracción de un cauce debido a los estribos de un puente pues parte del agua, que sin puente pasaría por las laderas de inundación, con puente se concentra para pasar solo por su abertura. Este fenómeno se observa por ejemplo, en el puente sobre el río Desbaratado a la entrada de Incauca tal como se ilustra en la foto 1.6 b). Otras condiciones de socavación general resultan de las características relacionadas con la corriente (recta, meándrica o entrenzada), controles variables del flujo aguas abajo, flujo en codos, confluencias y otros cambios que causen degradación del cauce.

a)

b)

Figura 1.6 a) Contracción debido a estribos que se proyectan dentro del cauce principal. HEC-18. 1993. b) Foto del puente a la entrada de INCAUCA sobre el Río Desbaratado. Algunas condiciones que producen socavación general están asociadas con particularidades de la morfología del cauce como cauces trenzados que tendrán huecos de socavación mas profundos cuando dos cauces se unen aguas abajo de una isla. Otros factores que causan socavación por contracción son: • Contracciones naturales de la corriente. • Islas o barras de sedimentos en el puente, aguas arriba o aguas abajo. • Acumulación de basuras o hielo. • Crecimiento de vegetación en el cauce, en las bancas, o en la zona de inundación.

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1.5 Socavación local La socavación local se refiere a la remoción del material que circunda pilas y estribos de un puente, o que se presenta aguas abajo de presas vertedoras y alcantarillas. Es causada por el cambio de dirección de las líneas de corriente, la turbulencia, la aceleración del flujo y los vórtices resultantes inducidos por la obstrucción al flujo. 1.5.1

Socavación local en pilas

El mecanismo que produce la socavación local en pilas está asociado a la separación tridimensional del flujo en la cara aguas arriba de la pila y a un vórtice periódico al pie de ella tal como se ilustra en la Figura 1.7 a), (Dargahi, B. 1990). La acumulación de agua hacia aguas arriba de la obstrucción produce una especie de onda en la superficie y un flujo vertical hacia abajo que crea un fuerte gradiente de presiones lo que ocasiona separación del flujo, como consecuencia de lo cual se origina un sistema de vórtices al pie de la pila llamados vórtices de herradura que son los principales causantes de la socavación. Bajo la acción de los vórtices, el sedimento es transportado de manera rotacional. El flujo hacia abajo al frente de la pila actúa como un jet vertical que forma un surco para luego girar 180°. El flujo hacia arriba combinado con los vórtices de herradura que se forman en la base de la pila remueve el material del lecho y si la tasa de transporte de sedimento desde la zona de obstrucción es mayor que el aporte de sedimentos proveniente de aguas arriba, se crea el hueco de socavación. El vórtice de herradura se extiende hacia aguas abajo de la pila hasta que pierde su identidad al confundirse con la turbulencia general del flujo. B. W. Melville (1983) describió los vórtices con su centro de bajas presiones como si fueran máquinas aspiradoras. El puente sobre el río Palo cerca de la población de Guachené, Figura 1.7 b), experimentó en el pasado problemas en su pila por socavación del cauce, posiblemente debido a un proceso combinado de socavación local y a largo plazo, actuando sobre una pila con cimentación superficial.

a)

b)

Figura 1.7 a) Comportamiento del flujo en una pila cilíndrica. Raudkivi, A. J., 1986. b) Puente fallado por socavación en la pila, foto cortesía Ing. Jorge Molina R. UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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La separación del flujo a los lados de la pila crea otros vórtices más débiles, llamados vórtices de estela, que también se trasladan hacia abajo e interactúan con los vórtices de herradura haciendo que el lecho oscile lateral y verticalmente. La influencia de estos vórtices cesa rápidamente a medida que se alejan de la pila hacia aguas abajo. Por ésto, aguas abajo de la pila generalmente se presenta sedimentación, (Raudkivi, A. J., 1986). Indicio de la existencia de vórtices de estela es la presencia de material orgánico muy liviano que tiñe las aguas de color café. En la mayoría de los puentes, la socavación producida por los vórtices débiles es insignificante y en muchos casos no existe pues la tendencia general es que aguas abajo de la pila se deposite el sedimento removido por los vórtices de herradura. Sin embargo, puede llegar a ser de gran magnitud en cauces aluviales de arena fina con condiciones de agua clara y debe considerarse especialmente cuando un puente se construye inmediatamente aguas abajo de otro, (Stevens, M. A., Gasser, M. M. y B. A. M. S. Mohamed, 1991). 1.5.2

Socavación local en estribos

La socavación en estribos se ha investigado menos que en pilas pero se piensa que está afectada por los mismos fenómenos que causan la socavación local en pilas como son separación del flujo y vórtices de herradura que remueven partículas localmente. La socavación local se produce en los estribos que obstruyen el paso del agua. Esta obstrucción forma un vórtice de eje horizontal que empieza en la parte aguas arriba y corre a lo largo del pie de la estructura y un vórtice de eje vertical al final de la misma, tal como se ilustra en la Figura 1.8 a). El vórtice al pie del estribo es muy similar al vórtice de herradura de las pilas y el vórtice al final es similar a los vórtices de estela más débiles que se forman aguas abajo (Melville, B. W., 1992).

a)

b)

Figura 1.8 a) Comportamiento del flujo en un estribo. b) Foto que muestra la socavación local en un estribo del Puente El Descanso, Río Guengué. Por ejemplo, este problema se ha presentado en un estribo del puente el Descanso sobre el río Guengué, Figura 1.8 b). 1.5.3 Socavación local en estructuras hidráulicas

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El agua al verter por encima de estructuras de rebose cae con una energía muy alta proporcional al desnivel del agua entre aguas arriba y aguas abajo teniendo gran poder erosivo. Igual ocurre con el agua que sale de alcantarillas y otras estructuras hidráulicas. La Figura 1.9 a) ilustra cómo aguas abajo de una presa se presenta degradación del cauce en tanto que aguas arriba la tendencia es a que haya agradación debido a la acumulación de materiales frente a la estructura. Esta situación posiblemente ha contribuido a la falla de una presa baja vertedora construida sobre el río Paila, tal como se muestra en la foto de la Figura 1.9 b).

a) b) Figura 1.9 a) Cambios en el cauce debidos a la construcción de una presa. b)Presa fallada, río Paila. 2. Agradación La agradación es el proceso que se presenta si el nivel del lecho del río se eleva o si las márgenes se desplazan hacia el interior del cauce y ocurre cuando hay exceso de sedimentos que la corriente no puede arrastrar. Este problema se presenta especialmente en el piedemonte en que las corrientes llegan con gran cantidad de material sólido proveniente de la degradación en la zona de montaña, que al llegar a zonas de bajas pendientes no pueden ser transportados quedando depositados. El principal problema que causa la agradación es la disminución de la sección hidráulica y de la capacidad de transporte de caudal en una corriente, lo que puede inducir o agravar el problema de inundaciones. Este problema se ilustra en las fotos Figura 2.1 a) y b); es muy común en la zona de piedemonde de los ríos en que existe una gran depositación de materiales que el cauce no puede arrastrar. Esto hace que el nivel del fondo se eleve y que el cauce al tratar de mantener su capacidad hidráulica, empiece a socavar las laderas, presentando procesos combinados de agradación del lecho y degradación de las orillas. Este problema se esquematiza en la Figura2.1 c).

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a)

b)

b) Figura 2.1 Depósitos de sedimentos en barras e islas. a) Río Desbaratado, Colombia. b) Puente Jones, Guatemala. c) Agradación del cauce y ampliación de las orillas por erosión marginal, Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001). Se presenta también en la parte interna de los meandros en donde se forman barras punta. Otras evidencias de agradación son las islas y los procesos de orillares en que barras de sedimentos tienden a unirse con las orillas, Figuras 2.2 y 2.3.

Figura 2.2. Barras intermedias y barras punta.

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Figura 2.3. Cambio en la morfología del río debido a la captura de la isla por procesos de orillares. Cortesía Ing. Javier Valencia. 3. Inundación Es la acumulación de agua causada por: lluvias intensas sobre áreas planas; deficiencias de drenaje; desbordamiento de corrientes naturales; desbordamiento de ciénagas; avalanchas producidas por erupciones volcánicas, sismos, deslizamientos y formación de presas naturales; obstáculos al flujo por la construcción de obras civiles y sedimentación de cauces. Las inundaciones son parte de un proceso natural como respuesta a eventos climáticos de autorregulación del propio ciclo hidrológico. Estos eventos influencian con mayor fuerza la dinámica fluvial, sin embargo, cuando los asentamientos humanos no consideran los límites naturales necesarios para evacuar las crecientes, se crea por ende una susceptibilidad al evento, y la vulnerabilidad de los elementos expuestos debido a él es función de la capacidad de protección que desarrolle el asentamiento. Los valles aluviales están formados por depósitos de sedimentos transportados por corrientes superficiales. En épocas de lluvias y/o caudales altos, en ocasiones, la capacidad hidráulica del cauce llega a su límite (banca llena), el agua sobrepasa las bancas y discurre por la llanura de inundación, depositando los sedimentos transportados y conformando lentamente el valle aluvial. El tipo de cauce y las características geométricas de las secciones condicionan directamente la severidad de la creciente y la vulnerabilidad de las áreas ribereñas asociadas. De esta forma, secciones hidráulicas de ríos de montaña podrán contener mejor crecientes menos frecuentes, que un canal aluvial con llanuras y/o planicies de inundación. En ambos casos, la pendiente del cauce está relacionada con el tamaño de los materiales transportados, los cuales influencian la rugosidad del cauce; la rugosidad de las bancas y de las llanuras de inundación, se asocian a factores naturales y antrópicos afectando directamente la velocidad de propagación de la avenida. La 3.1 ilustra una creciente del río Molino en que el agua está a punto de sobrepasar las laderas. UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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Figura 3.1 Río Molino. Creciente de 2004. 4. Controles al flujo Los ríos responden a las influencias hidrológicas, hidráulicas, geomorfológicas y antrópicas de diversas formas. Debido a las múltiples variables involucradas, son sistemas altamente dinámicos donde domina la variabilidad y la complejidad. Sin embargo, existen condiciones que controlan el flujo impidiendo su movimiento libre. Estos controles inducen la presentación o no de algunos de los procesos anteriormente descritos y pueden ser de cuatro tipos: a) Controles geológicos impuestos por la presencia de rocas o estratos resistentes al flujo. b) Controles estructurales como fallas y pliegues c) Controles naturales como lagos y océanos que definen el nivel base de un río controlando su avance de la juventud a la vejez. d) Controles antrópicos como presas, diques, espolones y en general, obras de control fluvial. La Figura 4.1 ilustra la degradación del cauce del río Cauca a lo largo de varios años y puntos en donde ha permanecido estable.

Figura 4.1. Perfil longitudinal del río Cauca para varios años. UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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Los cambios en la forma del lecho requieren la mínima cantidad de energía y tiempo. El acorazamiento del lecho requerirá más tiempo y energía; si el acorazamiento no tiene lugar (debido a la distribución, tamaño y disponibilidad de sedimento), el siguiente proceso de ajuste será el cambio en el ancho del canal. El proceso posterior será el cambio en el patrón de alineamiento que requiere mayor gasto de energía y tiempo. Sin embargo, si las condiciones hidráulicas y topográficas o los controles impuestos (restricción del movimiento lateral mediante obras para estabilización de bancas, por ejemplo) no permiten el cambio, empezarán los ajustes o alteraciones del perfil del lecho; éste último generalmente demanda el mayor consumo de energía y tiempo de los procesos de ajuste. El siguiente proceso es el cambio en la hidrología y transporte de sedimento. Los controles físicos que promueven o restringen el movimiento lateral o vertical de un canal son los responsables de su forma y en consecuencia, de sus características sedimentológicas. Es posible que el sistema llegue a una condición de equilibrio dinámico sin necesidad de llevar a cabo todos los procesos de ajuste mencionados; también puede realizarse una combinación simultánea de varios ajustes. Es muy importante conocer la profundidad y características del estrato subaluvial y las formaciones geológicas que puedan estar controlando la pendiente, ya que ésta es una de las principales variables que determina la dinámica de los procesos del cauce. 5. Metodología para el análisis de un problema fluvial El estudio y análisis de un problema fluvial implica que se lleven a cabo las siguientes actividades: a. Identificación del problema b. Recopilación y análisis de información necesaria c. Realización visita de reconocimiento en campo d. Análisis geomorfológico de la cuenca de drenaje e. Análisis geomorfológico del cauce f. Análisis y diseño de las estructuras y acciones de protección y complementarias g. Análisis de las posibles respuestas del sistema fluvial. h. Construcción e implementación del proyecto. i. Monitoreo de la respuesta del sistema fluvial. a. Identificación del problema. Los problemas locales en una corriente fluvial son el resultado de las acciones sobre el sistema, aguas arriba o aguas abajo del sitio en cuestión y en una época que puede ser reciente o no. Los cambios en los volúmenes de agua y sedimentos que resultan de los usos del suelo y del subsuelo, de la derivación, adición ó almacenamiento de agua tienen su impacto en el río, impactos que pueden ser a corto, mediano y largo plazo. Los problemas de estabilidad pueden tener su origen en causas naturales o antrópicas, pueden resultar de desbordamientos o drenaje de las bancas, uso local de la tierra, agradación o degradación local del canal, controles geológicos, etc.

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b. Recopilación y análisis de la información necesaria. El tamaño del proyecto y los beneficios esperados indicarán la extensión de la recolección de datos y su análisis; sin embargo, ningún proyecto debe empezar sin una inspección inicial del sitio, seguido de un análisis geomorfológico cualitativo a nivel de cuenca y de cauce y tan extenso en la medida que el proyecto lo permita y lo amerite. La recopilación de información incluye: • Recopilación de la información secundaria disponible • Cartografía base y mapas de uso de suelo para generación de mapas temáticos • Información sobre aspectos geológicos y geomorfológicos • Información hidrológica (registros disponibles, estaciones de precipitación, caudal, sedimentos, etc.) • Historia del problemac. Realización visita de reconocimiento en campo. La visita de campo busca entre otras cosas: • Identificar zonas de trabajo aptas para realizar los levantamientos topográficos. • Definir los sitios representativos para hacer los aforos. • Observar las formas del paisaje e identificar controles geológicos, estructurales, antrópicos. • Identificar posibles causas y consecuencias del problema. Se deben recolectar todos los datos significativos que ayuden a solucionar el problema. Para ello, se debe conocer el sistema fluvial involucrado y entender el problema que necesita solución. Los datos básicos de campo deben incluir información de tipo geológico, geodésico, hidrológico y de sedimentos. Un análisis geomorfológico de todo el sistema le da la importancia adecuada a los parámetros en cada categoría; así, los datos geológicos esenciales son la resistencia erosiva, el método de falla y la distribución en la cuenca de cada unidad geológica. La correlación entre las características de la corriente y la geología dará una estimación del grado de modificación que ocurrirá en el canal y los trabajos de estabilización que se requerirán. d. Análisis geomorfológico de la cuenca de drenaje. Se busca identificar la causa y el origen del problema para poder encontrar las soluciones más viables. Para ello, se deben determinar los parámetros geomorfológicos más importantes; la forma de la cuenca y el modelo de la red de drenaje están estrechamente relacionados con la forma del hidrograma de caudales medios. El análisis geomorfológico busca: • Determinar los parámetros geomorfológicos más importantes y el modelo de la red de drenaje para inferir la forma del hidrograma de caudales medios. • Perfil altimétrico sirve para conocer la pendiente del cauce y determinar cambios bruscos que permitan identificar zonas de agradación o degradación. Un mapa de pendientes, superpuesto a un mapa geológico, permite determinar zonas de erosión potenciales o existentes. • El mapa de usos del suelo permite identificar zonas más propensas a erosión para correlacionar esta información con la calidad y cantidad de los sedimentos en el cauce. • Fotografías aéreas de diferentes períodos sirven para detectar evolución del cauce, controles de tipo geológico, ubicar zonas de almacenamiento en la llanura de inundación tales como ciénagas, pantanos, madreviejas; zonas de alto potencial erosivo. • Identificar la causa y el origen del problema e. Análisis geomorfológico del cauce. Análisis del sistema para detectar medios alternos de detención o minimización del problema. Los problemas fluviales causados por transporte no uniforme de sedimentos se agrupan en una de las siguientes categorías: UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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• Cuando la tasa de transporte es mayor que la tasa de equilibrio se puede presentar agradación aguas arriba, sedimentación en embalses y ríos, abanicos (llegada de afluentes), islas y barras, cambio en el patrón de alineamiento. Un cauce principal en agradación induce a que los tributarios estén sometidos también a este proceso. • Cuando la tasa de transporte es menor que la tasa de equilibrio puede ocurrir degradación aguas abajo, socavación del lecho o de las bancas (agua clara tiene alto poder erosivo), degradación de afluentes. Un cauce principal en degradación induce a que los tributarios estén sometidos también a este proceso. La respuesta del río a la presencia de estructuras hidráulicas será diferente según la zona en donde se encuentren, tal como las describió por ejemplo Schumm y se vio en la Parte I sobre Geomorfología Fluvial. La acción del clima y el hombre en el régimen físico produce un régimen hidrológico que determina la tasa y modo del movimiento de agua y sedimentos dentro de los cauces de la cuenca. La pendiente del valle, la cantidad y tipo de sedimentos y el caudal son producto del régimen hidrológico y de la geología. La interacción de los parámetros hidrológicos produce el régimen fluvial; éstos interactúan para producir el régimen hidráulico, el cual es determinado por las características locales. El régimen hidráulico es la respuesta integrada de la historia completa del sistema fluvial. f. Análisis y diseño de las estructuras y acciones de protección y complementarias. Una vez analizada la cuenca de drenaje y el sistema fluvial completo, se tienen unas buenas bases para diseñar las estructuras de protección o estabilización que componen el proyecto. Con el conocimiento obtenido se pueden plantear diseños que minimicen el mantenimiento y que se ajusten a cambios anticipados en los volúmenes de agua y sedimento, para garantizar la estabilidad o permanencia de las estructuras. Es aconsejable dividir el río en tramos de propiedades geológicas similares y proponer criterios de diseño para cada tramo, ya que muy frecuentemente los puntos de división geológica coinciden con los puntos de interrupción de las variables geométricas. A pesar de los muchos parámetros que deberían ser considerados en un diseño específico existen algunos criterios generales que deberían tenerse en cuenta en el diseño de cualquier proyecto (Winkley, 1987): -

Cuando se previene el movimiento lateral debe anticiparse el vertical, propiciando procesos de acorazamiento del lecho o con estructuras para control de pendiente.

- La geometría controla la hidráulica. Las orillas y la estructura deberán estar alineadas con la corriente, tanto como sea posible. Las transiciones bruscas crean turbulencia que puede causar socavación excesiva y la falla de la estructura. Para diseños específicos, existen cuatro enfoques posibles (Winkley, 1987): - No intervenir. El río deberá recuperarse si la corriente no es muy dinámica. - Estabilizar sólo cuando una estructura hecha por el hombre esté en peligro. Se debe conocer perfectamente la dinámica del río para garantizar que el problema no se trasladará a otro sitio a causa de las obras de estabilización. UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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- Suministrar suficiente control estructural. Requiere mantenimiento continuo cuyos costos, especialmente en el caso de canales aluviales grandes, podrían hacer el proyecto poco atractivo y antieconómico, ya que se debe controlar la dinámica variable en el sistema completo. - Control geomorfológico en toda la cuenca. Especialmente recomendable en ríos grandes. Requiere menos controles estructurales y garantiza mantenimiento propio. El movimiento de sedimento es un proceso natural que no se puede interrumpir; puede solamente ser manejado hasta un mínimo controlable (o se depositan o se hacen mover con la corriente). La mejor manera de controlar sedimentos es controlar la erosión en las zonas de producción. Los sedimentos en un río son el resultado de la historia geológica de la cuenca de drenaje. No hay problema de río alguno que no tenga que ver con los sedimentos que lleva; de ellos, el 50% provienen del mismo canal y el otro 50% de la llanura de inundación y de las acciones antrópicas. La mitad de los sedimentos que lleva un río llegan a los océanos. g. Análisis de las posibles respuestas del sistema fluvial. Es necesario considerar las posibles respuestas del sistema ante el proyecto propuesto. Un análisis cualitativo de la respuesta del río a la construcción de una obra que interfiere con su uso natural, permite mejorar el estimativo que se tiene de las condiciones futuras del canal aunque no se evalúen cuantitativamente. Un canal bien diseñado tiende a buscar un mantenimiento propio y permite que las crecientes y los sedimentos asociados se muevan a través del cauce con un mínimo de problemas de mantenimiento. No hay diseño infalible. Siempre existe la posibilidad de que un evento intente destruir cualquier estructura en el río. Las relaciones propuestas por Lane (1955) y Schumm (1969), que se verán mas adelante, permiten conocer cómo responden los parámetros geométricos e hidráulicos. h. Construcción e implementación del proyecto. Durante la construcción de la obra proyectada, cualquier retraso puede anular la efectividad de las medidas de estabilización. Las etapas de construcción deben planificarse teniendo en cuenta la hidrología y aprovechando las épocas de estiaje. Una interrupción prolongada en los procesos constructivos puede dar lugar a que se agrave el problema y a la pérdida de gran parte de la obra encareciendo así los costos estimados. i. Monitoreo de la respuesta del sistema. Cualquier estructura requiere observación permanente durante la primera fase después de la construcción. Si se realiza un monitoreo de la obra y su incidencia en las condiciones del río, se pueden remediar pequeñas fallas de la estructura antes de que la obra entera llegue a perderse. Aún en etapas posteriores se debe chequear periódicamente el funcionamiento de las estructuras y realizar las actividades de mantenimiento requeridas, en especial después eventos extraordinarios y de períodos de crecidas y de sequías, hasta que el sistema alcance el equilibrio. Las características geométricas importantes deben evaluarse en varias secciones a través del río (relación ancho/profundidad, ángulo entre aguas altas y aguas bajas en los cauces, profundidad, ancho) y evaluar estadísticamente la frecuencia de los parámetros. No se puede eliminar el problema de mantenimiento; éste será menor mientras más se acerquen las características geométricas a los datos estadísticos. Todo el diseño se reduce a una buena geometría para lograr un mantenimiento mínimo. UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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6. Evaluación de la estabilidad de un cauce En este numeral se incluyen algunos conceptos básicos para identificar problemas de inestabilidad de cauces que pueden afectar a estructuras a construirse o ya construidas sobre una corriente fluvial. Su alcance es preliminar y no desarrolla exhaustivamente el tema para lo que debe recurrirse a referencias como HEC-20, 2001, o Richardson E. V., Simons D. B. y Julien P. Y. (1990). Los efectos típicos asociados con cambios en la elevación del lecho al construirse una estructura hidráulica en un río son la degradación y la agradación del cauce. Un cauce estable no cambia de tamaño, forma o posición con el tiempo, pero los cauces aluviales tienden a ser inestables. Desde el punto de vista del interés del ingeniero practicante, un cauce se considera inestable si la rata o la magnitud del cambio es suficientemente grande que puede afectar la localización, el diseño y el mantenimiento de una estructura. Si se trata por ejemplo de construir un puente en un cauce, los factores estructurales a considerar son: localización, orientación, diseño, longitud, número de luces, localización de las pilas y estribos, elevación de la superestructura y medidas de protección. Los factores hidráulicos involucrados en la estabilidad del cauce son numerosos e incluyen magnitud y frecuencia de las crecientes, velocidades del flujo, niveles del agua, formas de lecho, transporte de sedimentos, resistencia al flujo, tipo de flujo, basuras y cuerpos flotantes, contracciones al flujo. Los factores geomorfológicos que afectan potencialmente la estabilidad de la corriente se resumieron en la Parte I (Geomorfología Fluvial) y sirven para hacer una caracterización de la corriente apoyándose en fotografías aéreas y en visitas al sitio. Estos factores incluyen: tamaño de la corriente, régimen del flujo, material del fondo del cauce, topografía del valle, planicies de inundación, sinuosidad, trenzamiento, ramificación, variabilidad del ancho, encajonamiento, erosión de las orillas, material de las márgenes, laderas del cauce y vegetación. Ejemplos de factores externos ajenos a una estructura que alteran el cauce, inducidos o no por el hombre, y tal como se verá mas adelante, son: presas y embalses, dragados, canalizaciones, corte de meandros, confluencias y bifurcaciones de cauces, cambios en el uso del suelo, entre otros. Causas naturales comprenden terremotos, actividades volcánicas, cambios climáticos, fuego y erosión del fondo y bancas del cauce. Todo estudio inicia con la recolección de información existente y reconocimiento de la zona buscando identificar el problema, evaluar la estabilidad del sistema fluvial y su comportamiento futuro. Las técnicas de evaluación son cualitativas y cuantitativas y su uso dependerá del nivel de análisis necesario según sea la complejidad del cauce en que se va a construir una estructura o en el que ya está construida. En general, el procedimiento para analizar la estabilidad de un cauce consta de tres niveles, (Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001). Nivel 1: Aplicación de conceptos geomorfológicos sencillos y otros análisis cualitativos basándose en mapas, fotografías aéreas, fotografías, reportes históricos del cauce, actividades del hombre y cambios hidrológicos e hidráulicos, Figura 6.1. Nivel 2: Aplicación de conceptos básicos de hidrología, hidráulica y transporte de sedimentos para lo que se requiere básicamente de información sobre caudal dominante, curvas de duración de caudales, curvas de frecuencia de caudales, secciones transversales, coeficientes UNIVERSIDAD DEL CAUCA

PARTE III. PROCESOS FLUVIALES

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de rugosidad del cauce y las bancas, alineamiento del cauce y toda la información necesaria para calcular perfiles de flujo. El análisis del transporte de sedimentos requiere información sobre el uso del suelo, tipos y propiedades de los suelos (tamaño, forma, velocidad de caída, cohesión, densidad y ángulo de reposo), condiciones geológicas y tasas de transporte de sedimentos, Figura 6.2. Nivel 3: Aplicación de modelaje físico y matemático. Para su ejecución se requiere de la misma información del Nivel 2 pero típicamente en mayor detalle para usar modelos computacionales como el HEC-6 o construir modelos físicos. Los siguientes diagramas de flujo ilustran el procedimiento general a aplicarse.

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PARTE III. PROCESOS FLUVIALES 1. Determinación de las características del cauce

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2. Identificación de cambios en el uso del suelo

REALICE ANÁLISIS 3. Análisis de la estabilidad general del cauce incluyendo existencia de abanicos fluviales, presas y embalses, formas del cauce, derivaciones, tamaño del sedimento

NIVEL 2

SI

4. Análisis de la estabilidad lateral del cauce incluyendo Inestable erosión de las márgenes y migración de meandros

SE NECESITA UN Estable 5. Análisis de la estabilidad Inestable vertical del cauce incluyendo degradación y agradación

ANÁLISIS MÁS

DETALLADO? Estable 6. Análisis de la respuesta de la corriente considerando impactos Posible presentes o anteriores y relaciones simplificadas como las inestabilidad de Lane: QS ∝ QsD50

Estable

NO

FIN DE LA EVALUACIÓN

Figura 6.1. Pasos de un análisis geomórfico cualitativo, Nivel 1. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001).

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Estudio del historial de PARTE III. 1. PROCESOS FLUVIALES crecientes y comportamiento hidrológico

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2. Estudio de las condiciones hidráulicas como velocidad y niveles del agua para caudales de creciente con ayuda de programas como el HECRAS

REALICE ANÁLISIS 3. Análisis de los materiales del lecho y del cauce

NIVEL 3 SI

4.Evaluación de la carga de sedimentos de la cuenca de Carga cambiante drenaje

Carga constante 5. Análisis del movimiento incipiente de sedimentos

Cauce inestable

SE NECESITA UN Cauce estable 6. Evaluación del potencial de No hay potencial acorazamiento de acorazamiento

ANÁLISIS MÁS

DETALLADO? Acorazamiento 7. Evaluación de cambios en Elevación del la curva de calibración a través lecho variable del tiempo Elevación constante 8. Evaluación de las condiciones de socavación: general por Alto potencial contracción u otros factores, local, de socavación a largo plazo y por migración lateral de la corriente

NO

Sin socavación

DISEÑO DE LA ESTRUCTURA, MEDIDAS DE CONTROL O RECUPERACIÓN DEL CAUCE

Figura 6.2. Pasos de un análisis básico, Nivel 2. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001).

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7. Evaluación de la degradación y agradación a largo plazo La socavación del cauce a largo plazo se refiere a la tendencia a la degradación que el lecho presenta a lo largo del tiempo debido a causas externas, ya sean naturales o inducidas por el hombre, pero sin tenerse en cuenta eventos extremos o crecientes. La socavación a largo plazo se considera de tipo permanente, o sea que no es transitoria ya que no depende de la ocurrencia de un evento extremo como una creciente. Si las acciones son antiguas y el proceso está en curso, pueden existir signos de los cambios y también es posible que existan reportes de inspecciones previas que den información sobre la magnitud y progreso de la socavación. Información real de campo siempre es más valiosa que cualquier tipo de estimación o simulación. Si la degradación del cauce por ejemplo, es causada por la construcción de una presa, el proceso de erosión es progresivo hacia aguas abajo, lento y asintótico en el tiempo; pero si es causada por el corte súbito de un meandro, la erosión es progresiva hacia aguas abajo y regresiva hacia aguas arriba y puede ser bastante mas rápida que la erosión progresiva porque empieza con pendientes mayores, (Figuras 7.1 a) y 7.1 b). El efecto se puede sentir a lo largo de varios kilómetros, alcanzar varios metros de profundidad y en tiempo variable.

Punto fijo

Figura 7.1. a) Erosión progresiva. b) Erosión regresiva. Martín V., J. P. 1997. Entre las causas de socavación a largo plazo se considera que una de las más graves y frecuentes es la extracción de materiales de un cauce. Una extracción de materiales en gran magnitud y duración, significa la interrupción casi total del transporte sólido hacia aguas abajo (erosión progresiva) y un descenso brusco del fondo hacia aguas arriba (erosión regresiva), Figura 7.2. Otra causa es el encausamiento de una corriente que causa erosión regresiva hacia aguas arriba y progresiva hacia aguas abajo, Figura 7.3.

Figura 7.2. Efecto de la extracción de sedimentos en un río. Martín V., J. P. 1997.

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Figura 7.3. Efecto de un encauzamiento para suprimir curvas. Martín V., J. P. 1997.

La evaluación de la socavación a largo plazo puede ser cualitativa o cuantitativa dependiendo del tipo de información que se tenga. 7.1 Evaluación cualitativa Estudios cualitativos (Nivel 1) se pueden realizar para evaluar el comportamiento de un cauce cuando no se tiene información suficiente ni precisa desde el punto de vista hidrológico, hidráulico y geomórfico. Un análisis cuantitativo de la respuesta de un río se puede lograr sólo si todos los datos requeridos son conocidos con suficiente precisión. Generalmente, los datos requeridos no son suficientes, por lo cual hay que recurrir a las ecuaciones empíricas disponibles en la literatura técnica para estimar la respuesta. La respuesta de un canal y el gradiente longitudinal pueden predecirse, en términos generales en cuanto a los cambios geomorfológicos producidos por las variaciones del caudal de agua y sedimentos, con base en las investigaciones realizadas por Lane (1955), Leopold y Maddock (1953), Schumm (1971), Simons (1972) y otros. Dichos estudios conducen a las siguientes relaciones útiles, entre otras: - "La profundidad del flujo, h, es directamente proporcional a la descarga líquida Q, para una sección dada". - "El ancho del canal B, es directamente proporcional a la descarga de agua y sedimentos" - "La forma del canal, expresada por la relación B/h, está directamente relacionada con la descarga de sedimentos Qs ". - "La pendiente del canal, S, es inversamente proporcional al caudal líquido Q y directamente proporcional al caudal sólido, Qs y al tamaño de los granos D50". - "El transporte de material, Qs está directamente relacionado con potencia del flujo, τoV, y con la concentración de sedimentos finos, Cf, e inversamente relacionado con el diámetro medio de los granos, D50 "(Simons, 1975). UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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7.1.1 Relación de Lane Para analizar cualitativamente las respuestas de un río se usan relaciones simplificadas como la propuesta por Lane (1955) quien estudió los cambios en la morfología de la corriente causados por modificaciones del caudal líquido o sólido. Lane estableció que el producto de la descarga líquida Q y la pendiente S es proporcional al producto de la capacidad del cauce, Sb y el tamaño medio de los granos, D50, según la siguiente relación: QS ≅ SbD50 ...........................................................................................................................7.1 Q S Sb D50

= caudal líquido = pendiente = caudal sólido = diámetro medio del sedimento

En la relación de Lane se asume que el cauce responde a cambios de caudal o suministro de sedimentos y se mueve de una forma de equilibrio a otra, ya sea cambiando de pendiente o de tamaño del material. Un desequilibrio puede causar erosión y ésta desarrollarse en el sentido de disminuir la pendiente si se mantiene un punto de control aguas abajo y a la inversa.

Nivel base o punto de control

Figura 7.4. Basculamiento del fondo del cauce. 1) Erosión. 2) Sedimentación. Martín V., J. P. 1997. Por ejemplo, si el caudal y el tamaño del sedimento permanecen constantes, un aumento del caudal sólido (Sb+) lleva como consecuencia un incremento en la pendiente (S+) para conservar el balance geomórfico propuesto por Lane; por lo tanto, habrá sedimentación. 0 + 0 Q S + ≈ S b D50 …………………………………………………….………….. 7.2

Algunos ejemplos de evaluación cualitativa se dan a continuación. a. Respuesta del río a la construcción de una presa

Figura 7.5. Cambios en el canal debidos a la construcción de una presa. UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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Aguas arriba de la presa, en el embalse, se presentará depositación, por tanto, el lecho se agradará. El agua que sale del embalse estará libre de sedimento, por lo cual se presentará una reducción en Ss. Asumiendo que el caudal sea el mismo (aguas abajo se garantiza el mismo caudal del río) y que el diámetro medio permanece constante, entonces la pendiente S debe disminuir aguas abajo para equilibrar la proporcionalidad. 0 0 Q S - ≈ S b D50

………………………………………………………………….. 7.3

Si además, el caudal que pasa hacia aguas abajo fuera menor, la situación implicaría una reducción del tamaño del material transportado. − − Q S - ≈ S b D50

………………………………………………………………… 7.4

"El gradiente original (línea CA) entre la presa y algún control geológico aguas abajo se reducirá al gradiente C'A, como producto de una degradación gradual. Si el embalse tiene muy poca capacidad de almacenamiento puede inducir socavación y posteriormente depositación (una vez se colmate) en un período relativamente corto (cuando el sedimento no sea retenido más en el embalse)", (Simons, 1977). • Cambios aguas arriba ocasionados, esencialmente por el ascenso del lecho: - Disminución de la pendiente y velocidad que originan agradación en el canal, el cual actúa como control o nivel base para los afluentes aguas arriba. - Reducción de las zonas de almacenamiento del canal aguas arriba, lo cual propicia más vulnerabilidad para las inundaciones, alteración de cultivos por ascenso del nivel freático, pérdida de capacidad de los cauces. - Agradación en los afluentes (en la zona de influencia) debido a que la pendiente del lecho de los afluentes también se reduce. • Cambios aguas abajo de la presa, debidos al descenso del nivel del lecho: - Se presenta inicialmente, degradación en el canal desde la presa hasta un punto de control aguas abajo (algún control geológico, por ejemplo) y también degradación en los afluentes que drenan aguas abajo de la presa. - Las zonas de almacenamiento aumentan modificando la hidrógrafa de crecidas. - Posibles cambios en el patrón de alineamiento, en la estabilidad de las bancas y posible falla por socavación al volverse las bancas más inestables. En el caso de la construcción de una presa, el escenario mas probable es que tanto el caudal líquido como el sólido disminuyan y es posible que el tamaño del sedimento aguas abajo aumente debido a acorazamiento o aporte de sedimentos de un tributario. En este caso la respuesta sobre la pendiente dependerá de la magnitud de los cambios en las otras variables.

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PARTE III. PROCESOS FLUVIALES −

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+

Q S + ≈ S b D50 ………………………………………………………………… 7.5 -

b. Cambios en un afluente por reducción en el nivel base del cauce principal La profundidad media del flujo en el cauce principal actúa como nivel base para los afluentes. Si el nivel base en el canal principal ha bajado por algún cambio natural en el río o por algún cambio inducido por el hombre (por ejemplo, que el canal principal alimente un embalse y éste sea drenado, por algún motivo).

Erosión regresiva

Descenso en el nivel base

Afluente Cauce principal Figura 7.6. Reducción en el nivel base del canal principal. Bajo la nueva condición (descenso en el nivel base), el gradiente local del afluente aumentará, induciendo degradación hacia aguas arriba lo cual hace que se aumente o profundice la sección de flujo. Con el aumento en la pendiente la velocidad aumentará y posiblemente las bancas serán menos estables; puede haber socavación local y cambios en el patrón de alineamiento del afluente. + 0 0 Q S + ≈ S b D50 ……………………………………………………………………… 7.6

Aplicando la relación de Lane (1955) a la corriente afluente se deduce que el incremento en la pendiente S+ debe ser balanceado por un incremento en la descarga sólida, Sb+ (si se asumen constantes la descarga y el tamaño medio de los granos del lecho). Aguas abajo, en el canal principal, se aumenta la carga de sedimentos, el canal puede agradarse, se aumenta el nivel de inundaciones, y se pueden presentar cambios en el patrón de alineamiento. •

Balanza de Lane

Lane también dispuso las cuatro variables en una balanza tal como se ilustra en la Figura 7.7. El desplazamiento del fiel de la balanza por peso en exceso (los caudales) o por un brazo en exceso (la pendiente y el tamaño) da lugar a procesos de erosión o sedimentación según sea la inclinación en uno u otro sentido.

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1111

QS ≈ SbD50

Q Sb

= caudal líquido = caudal sólido Figura 7.7. Balanza de Lane. Rosgen, 1996.

El concepto de continuidad del sedimento compara el suministro desde aguas arriba con la habilidad del cauce para transportarlo. La diferencia entre lo que llega y lo que sale resulta en agradación o degradación del lecho del cauce, pero esta predicción es netamente cualitativa y tampoco indica las condiciones requeridas para recobrar el equilibrio. 7.1.2

Otras relaciones morfológicas

Varios investigadores han propuesto relaciones empíricas que facilitan el análisis de los distintos parámetros morfológicos, que permiten establecer que, cuando el gasto escurre por un solo cauce, el ancho de la superficie libre del agua B, el tirante h, y la longitud de onda de los meandros ML (Figura 7.8), están relacionados directamente con el gasto Q y con la pendiente S. Por tanto, se pueden establecer relaciones como las siguientes: Q≈

B , h, M L ……………………………………………………………………………. 7.7 S

Sb ≈

B, S , M L …………………………………………………………………………….. 7.8 h, P

F=

B Q ≈ ………………………………………………………………………………... 7.9 h M

Sb = transporte de material del fondo M = porcentaje de material fino transportado P = sinuosidad ML = longitud de los meandros

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Figura 7.8. Características de los meandros. Gracia S., J. y Maza A., J. A. (1997).

De acuerdo con lo anterior, se pueden establecer las siguientes ecuaciones para el análisis cualitativo: Q + ≈ B + , h + , M L+ , S − ……………………………………………………………………... 7.10 Q − ≈ B − , h − , M L− , S + ……………………………………………………………………... 7.11 +

S b ≈ B + , h − , M L+ , S + , P − ………………………………………………………………... 7.12 −

S b ≈ B − , h + , M L− , S − , P + ………………………………………………………………... 7.13

F+ =

B ≈ Q − , M − ………………………………..…………………………………....... 7.14 h

El empleo de estas ecuaciones permite analizar los siguientes casos: • Se ha desforestado una cuenca y se estima que el gasto y el material transportado aumentarán en los próximos años. Se desea saber cuales son los cambios morfológicos que deben esperarse en el rió principal de dicha cuenca. Usando las ecuaciones 7.10, 7.13 y 7.14 se tiene: +

Q + S b ≈ B + , h ± , M L+ , S ± , P − , F + ……………………………………………….. …….. 7.15

Es de esperarse que en tal caso, el ancho, la longitud de los meandros y la relación ancho/profundidad, aumenten. La profundidad y la pendiente pueden aumentar o disminuir, sin embargo, como la relación ancho/profundidad está muy influenciada por el tipo de material y dicha relación aumenta, es de esperarse que el tirante disminuya o al menos se mantenga constante dado el aumento de B y F. En cuanto a la pendiente, ésta probablemente aumente ya que la sinuosidad disminuye. • Supóngase que se construye una presa en un río, la cual retendrá gran cantidad del sedimento transportado. Por tanto, en el primer tramo, aguas abajo de la obra, el caudal sólido disminuirá, pero el líquido no. De las ecuaciones 7.10, 7.13 y 7.14 se tiene: UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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−

Q + S b ≈ B ± , h + , M L± , S − , P + , F − ……………………………………………………………… 7.16

Como decrece el transporte de material sólido, la profundidad y la sinuosidad crecen, en tanto que la pendiente y la relación ancho/profundidad disminuyen. Como F disminuye, es muy probable que el ancho también disminuya, lo cual generalmente ocurre. La longitud de onda de los meandros probablemente permanece constante, sin embargo, como la sinuosidad aumenta, se puede suponer que ML disminuye. Como se ha podido observar, el empleo de análisis cualitativo permite anticipar los cambios que se pueden esperar al alterar las condiciones de una corriente natural estable. Esto es importante, porque permite decidir las medidas a seguir durante el gran período de inestabilidad que requiere una corriente para adaptarse a las nuevas condiciones.

7.2 Evaluación cuantitativa

Varios métodos existen para analizar la agradación o degradación de un cauce a largo plazo que combinan relaciones de transporte y continuidad de sedimentos, como: movimiento incipiente, acorazamiento, análisis de la pendiente de equilibrio, control del nivel base, análisis de la continuidad del sedimento y modelación del transporte de sedimentos.

7.2.1 Movimiento incipiente del sedimento

El movimiento incipiente es la condición en que las fuerza hidráulicas actuantes sobre una partícula de sedimento igualan a las fuerzas que se oponen al movimiento. La partícula estará en condición crítica cuando un ligero incremento en las fuerzas hidráulicas hace que se empiece a mover. Las fuerzas hidráulicas son de empuje y subpresión y son usualmente representadas de forma simplificada por el esfuerzo cortante del flujo actuando sobre la partícula. La siguiente ecuación derivada del diagrama de Shields se usa para calcular el tamaño de la partícula de sedimento que se moverá para una condición determinada del flujo o para calcular el esfuerzo cortante requerido para mover una partícula de un tamaño dado. D = c

K

(

τ

γ −γ s s

)

........................................................................................................... 7.17

Dc = diámetro de la partícula de sedimento para la condición crítica [m] τ = esfuerzo cortante [Pa o N/m2] γs = peso específico del sedimento [N/m3] γ = peso específico del agua [N/m3] Ks = parámetro de Shields variable entre 0.03 y 0.10 para sedimentos naturales. El uso de un valor de 0.047 para arenas da resultados razonables, pero valores tan bajos como 0.03 se usan para gravas y piedras. Para arenas y para materiales granulares más gruesos, el esfuerzo cortante se calcula con las ecuaciones 7.18 y 7.19, respectivamente - Para arenas: UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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τ=

γn 2 V 2 R 1/ 3

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.................................................................................................................. 7.18

n = coeficiente de rugosidad de Manning V = velocidad media del flujo R = radio hidráulico

[m/s] [m]

- Para materiales granulares gruesos: τ=

ρV

2

2 ⎡ ⎛ 12.27 R ⎞⎤ ⎢ 5.75 log⎜ ⎥ ⎟ ⎜ ⎟ ⎢⎣ ⎝ k s ⎠⎥⎦

..................................................................................................7.19

ρ = densidad del agua

[kg/m2] [m] ks = rugosidad del sedimento, El valor de ks usualmente se toma igual a 3.5 D84 para gravas y material del lecho grueso, pero puede ser tan bajo como 1.0 o 2.0 para materiales pobremente gradados. El radio hidráulico puede ser sustituido en las anteriores ecuaciones por la profundidad hidráulica, cuando la relación ancho/profundidad es mayor que 10.

7.2.2 Acorazamiento del cauce

El acorazamiento ocurre cuando las fuerzas hidráulicas son suficientes para mover una porción del material del lecho compuesto por las partículas más finas dejando en el sitio las más gruesas que forman una coraza. Cauces acorazados usualmente se forman en lechos de grava cuando la creciente empieza a bajar y pueden ser destruidos en crecientes posteriores y volverse a formar una vez pasen las crecientes. En una corriente en degradación, con suficiente cantidad de partículas grandes, especialmente aguas abajo de una presa, puede formarse un acorazamiento permanente que es estable para todas las condiciones del flujo y detener el proceso erosivo. La ecuación para movimiento incipiente del sedimento se puede usar para determinar el tamaño crítico del material que resiste una determinada condición hidráulica. Acorazamiento puede ocurrir si al menos el 5% del material es más grande que el tamaño crítico (D95 o más pequeño). La ecuación 7.20 se usa para predecir la profundidad de la degradación que se necesita que ocurra para que haya acorazamiento. ⎛ 1 ⎞ D s = y a ⎜⎜ − 1⎟⎟ .........................................................................................................7.20 ⎝ Pc ⎠

Ds = profundidad de la degradación requerida para formar un estrato acorazado [m] ya = espesor del estrato acorazado. Varía entre 1 y 3 veces el diámetro crítico determinado con la relación de Shields para movimiento incipiente, Ecuación 7.17. Un mínimo de 2 veces el diámetro crítico Dc , es necesario para formar una coraza relativamente estable [m] Pc = porcentaje de material mas grueso que el tamaño crítico de la partícula, expresado en fracción decimal

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Ds

Figura 7.9. Desarrollo del acorazamiento del cauce. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001). 7.2.3 Análisis de la pendiente de equilibrio

La pendiente de equilibrio es la que equilibra los caudales sólidos con los líquidos. Por ejemplo, muchos sólidos y poca agua se equilibran formando una gran pendiente y viceversa. El mismo caudal sólido de partículas más gruesas y el mismo caudal de agua, se equilibran con una pendiente mayor y viceversa. El cauce es susceptible de degradarse aguas abajo de presas que descargan agua clara hasta que la reducción en pendiente resulta en un esfuerzo cortante demasiado bajo para el material del cauce Q+S-- ∝ Sb-D50+. En un cauce arenoso, la pendiente del canal tendrá que ser extremadamente baja para alcanzar condiciones de movimiento incipiente por lo que la degradación será alta, en tanto que para un cauce de lecho gravoso, también habrá degradación, pero adicionalmente a la reducción en pendiente además podrá haber acorazamiento que disminuya la erosión. •

Pendiente de equilibrio cuando no hay suministro de sedimentos desde aguas arriba

Las ecuaciones 7.21 y 7.22 permiten calcular la pendiente de equilibrio cuando no hay suministro de sedimentos desde aguas arriba. La ecuación 7.21 combina la ecuación 7.17 con la ecuación de Manning y es un estimativo de la pendiente de equilibrio donde cesa el movimiento del material del lecho.

S eq

⎡ ⎛γ s − γ = ⎢ K s Dc ⎜ ⎢⎣ ⎝ γ

⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎥⎦

10 / 7

⎛ 1 ⎞ 6/ 7 ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ qn ⎠

.................................................................................... 7.21

Seq = pendiente del canal a la que no se mueve una partícula de tamaño Dc [m/m] q = caudal unitario [m2/s] Ks = parámetro de Shields variable entre 0.03 y 0.10 para sedimentos naturales. El uso de un valor de 0.047 para arenas da resultados razonables, pero valores tan bajos como 0.03 se usan para gravas y piedras. n = coeficiente de rugosidad de Manning Dc = diámetro de la partícula de sedimento para la condición crítica [m] UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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La ecuación 7.21 asume que el ancho del cauce permanece constante. El tamaño crítico a usarse debe ser D90 porque el cauce se volverá más grueso cuando la degradación ocurra. La ecuación 7.22 es del USBR usando la ecuación de Meyer-Peter Muller para inicio de transporte y considerando el ajuste de la profundidad hidráulica debido a la reducción en la pendiente del cauce.

S eq

(D ) = 28.0 (D )

10 / 7

50

90

5 / 14

n

9/ 7

q

6/ 7

................................................................................................... 7.22

La degradación calculada por la disminución de pendiente pude resultar en un angostamiento del cauce o en falla de las bancas y consecuente ampliación del cauce. Es difícil también estimar el caudal apropiado para usar en las anteriores ecuaciones. Un estimativo inicial para condiciones de agua clara se obtiene al usar el caudal a banca llena con el conocimiento de que a medida que el cauce se degrada sus dimensiones se van ajustando. •

Pendiente de equilibrio cuando hay reducción de suministro de sedimentos desde aguas arriba

Una situación mas típica en los cauces es que haya reducción en el aporte de sedimentos y en este caso la pendiente de equilibrio se predice usando relaciones de transporte de sedimentos. Como se ha visto anteriormente, la relación de Lane (Ecuación 7.1) muestra que una reducción en el suministro de sedimentos o un aumento del caudal causan reducción en la pendiente del fondo y degradación. La nueva pendiente de equilibrio producirá condiciones hidráulicas de forma que la capacidad de transporte de sedimentos del cauce coincida con el suministro de sedimentos de aguas arriba.

S eq

⎛ a = ⎜⎜ ⎝ qs

10

2( 2b + 3c )

⎞ 3( c − b ) 2 ( ) ⎟ q 3 c −b n ⎟ ⎠

...............................................................................................7.23

q s = aV b h c ...................................................................................................................7.24 a = 0.3048

( 2 −b − c )

0.025n

( 2.39− 0.8 log( D ) ) 50

(D

50

− 0.07

)

−1. 4

............................................................7.25

( ) ......................................................................................................7.26

b = 4.93 − 0.74 log D50

( ) ....................................................................................................7.27

c = −0.46 + 0.65 log D50

Seq = pendiente de equilibrio del cauce para el suministro de sedimentos de aguas arriba qs = capacidad de transporte de sedimentos por unidad de ancho [m2/s] q = caudal unitario [m2/s] V = velocidad media [m/s] h = profundidad media [m] n = coeficiente de rugosidad de Manning D50 = diámetro medio de la partícula del sedimento [mm] El rango de uso de las ecuaciones 7.25, 7.26 y 7.27 está en la Tabla 7.1. UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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Tabla 7.1. Rango de uso de las ecuaciones 7.25, 7.26 y 7.27. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001). Parámetro

D50 [mm] Velocidad [m/s] Profundidad [m] Pendiente n de Manning Número de Froude Caudal unitario [m2/s]

Rango de valores 0.1 - 2.0 0.61 - 2.44 0.61 - 7.62 0.00005 - 0.002 0.015 - 0.045 0.07 - 0.7 0.9 - 18.6

En el caso de reducción del aporte de sedimentos a un cauce que estaba previamente en equilibrio, y manteniendo constantes el caudal, el coeficiente de rugosidad y el ancho del cauce, la pendiente de equilibrio se puede relacionar con la pendiente existente simplificando la ecuación 7.23 y obtener la ecuación 7.28.

S eq

⎛ Q s ( futuro ) = S ex ⎜ ⎜Q ⎝ s ( existente )

10

⎞ 3( b + c ) ⎟ ⎟ ⎠

..................................................................................................7.28

Sex = pendiente del cauce existente Qs = suministro de sedimentos

[m3/s]

El suministro de sedimentos Qs existente puede ser medido o calculado. El suministro de sedimentos futuro se debe calcular usando relaciones de transporte de sedimentos. Las ecuaciones 7.23 y 7.28 asumen que el ancho del cauce y el tamaño del sedimento permanecen constantes cuando el cauce se degrada. El caudal a usarse en las ecuaciones anteriores es el caudal efectivo que se define como el caudal responsable de la mayor cantidad de transporte de sedimentos, y por lo tanto considerado como el formador del cauce. Si no existe información disponible, se puede trabajar con el caudal a banca llena. 7.2.4 Control del nivel base

El cálculo de la pendiente de equilibrio da un estimado de la pendiente a partir de la relación de Lane pero no predice la extensión, ni la magnitud de la degradación, ni el tiempo necesario para alcanzar equilibrio. En un cauce con déficit de sedimentos, la degradación ocurre aguas arriba y va progresando hacia aguas abajo, estando limitada por un control generalmente de tipo geológico, como un afloramiento muy resistente a la erosión o presencia de materiales muy gruesos. Un río grande, un lago, un embalse o el mar también pueden actuar como controles de un tributario. Otros controles pueden ser estructuras de control de la pendiente. Si no existen controles visibles, la degradación continuará hasta que el cauce alcanza la pendiente de equilibrio o hasta que ocurra acorazamiento. La magnitud de la degradación máxima en un punto aguas arriba de un control se puede estimar con la ecuación 7.29. Ds = L(Sex - Seq) ...................................................................................................…......7.29 UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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Ds L Sex Seq

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= máxima profundidad de degradación = distancia aguas arriba del control = pendiente del cauce existente = pendiente de equilibrio del cauce

[m] [m]

Ds

Figura 7.10. Degradación debido a cambios en pendiente. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001).

Otra consideración para el control base ocurre cuando se presenta una remoción del control o hay un descenso del nivel base en el cauce principal, causando la degradación progresiva aguas arriba. Cuando un cauce principal se degrada, el nivel base desciende para cada uno de sus tributarios y la degradación progresa aguas arriba. La figura 7.11 ilustra dos tipos de erosión regresiva: cortes bruscos en sedimentos cohesivos que frecuentemente causan caídas verticales y piscinas al pie de ellas, y cortes graduales en sedimentos no cohesivos. Flujo Cauce original Sedimentos cohesivos

Ds

Flujo Cauce original Ds

Sedimentos no-cohesivos

Figura 7.11. Erosión regresiva. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001)

7.2.5 Análisis de la continuidad del sedimento

Las tasas de transporte de sedimentos pueden ser determinadas para un rango de caudales y combinadas con curvas de duración de caudales para saber el caudal efectivo en el cauce, pero también se pueden considerar para un hidrograma de creciente y predecir eventos de UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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agradación o degradación para lo que deben calcularse el suministro de sedimentos y la capacidad de transporte del tramo del cauce. La diferencia entre el aporte de sedimentos y la salida de sedimentos se traduce en agradación o degradación del lecho y el volumen del material erodado o depositado se puede calcular mediante las siguientes ecuaciones: ∆V = Vs ( entra ) − Vs ( sale )

...................................................................................................... 7.30

Vs = qsW∆t ..................................................................................................................7.31

∆V = volumen de sedimento almacenado o erodado Vs(entra) = volumen de sedimentos que entra al tramo Vs(sale) = volumen de sedimentos que se transporta fuera del tramo qs = caudal de sedimentos por unidad de ancho W = ancho del cauce ∆t = incremento de tiempo

[m3] [m3] [m3] [m2/s] [m] [s]

La ecuación 7.30 se puede integrar para un hidrograma para determinar el volumen de sedimentos durante una creciente o puede ser combinada con una curva de duración de caudales para predecir las variaciones a largo plazo. La altura de la agradación o degradación se puede calcular con la ecuación 7.32. ∆Z =

∆V

WL ( 1 − η )

............................................................................................................. 7.32

∆Z = cambio en la elevación del fondo del cauce

[m] L = longitud del tramo [m] η = porosidad del sedimento del lecho (volumen de vacíos/volumen total de la muestra) Cuando se produce agradación o degradación, el cauce tiende hacia una nueva condición de equilibrio, y el modelo hidráulico debe ser corregido con las cantidades calculadas a partir de la ecuación 7.32 antes de que se analice un nuevo hidrograma de crecientes. Además, se debe analizar la estabilidad de las nuevas alturas de las bancas para determinar si ocurrirá ensanchamiento de la sección del cauce. 7.2.6 Modelación del transporte de sedimentos

El análisis de continuidad del sedimento es complejo y demanda mucho trabajo por lo que programas de computador como el HEC-6 usan modelos para transitar el sedimento por el cauce y ajustar la geometría de éste para reflejar desequilibrios en el suministro de sedimentos y en la capacidad de transporte. El HEC-6 se puede usar para modelar transporte de sedimentos, ya sea para eventos individuales o para estimaciones a largo plazo. La información necesaria para correr un modelo computacional es usualmente la siguiente: Geometría del cauce y las zonas de inundación Geometría de la estructura Rugosidad del cauce Controles verticales geológicos y estructurales Perfiles del agua Hidrogramas de entrada de un evento o a largo plazo UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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Hidrogramas de entrada de tributarios Gradaciones del material del lecho Aporte de sedimentos desde aguas arriba Aporte de sedimentos de los tributarios Selección de la relación de transporte de sedimentos más apropiada Profundidad del estrato aluvial 8. Otras ecuaciones para calcular socavación del cauce 8.1 Socavación general

La socavación general es el descenso generalizado del fondo del río como consecuencia de una mayor capacidad de la corriente para arrastrar y transportar sedimentos del lecho en suspensión durante crecientes. La socavación general ocurre durante crecientes por lo que se considera de carácter transitorio o cíclico y en ésto difiere de la socavación a largo plazo que es permanente. El fenómeno de la erosión general es todavía poco conocido y los métodos de cálculo que se emplean no son más que una lejana aproximación a lo que ocurre en la realidad. 8.1.1 Método de Lischtvan-Levediev

El método de Lischtvan-Levediev (Parte IV, Capítulo 3 sobre Cálculos de la Socavación en Puentes) puede usarse para calcular la socavación general considerando o no la influencia de la contracción del puente. 8.1.2 Según la forma de transporte de sedimentos

También, la magnitud de la socavación general durante crecientes (transitoria) se puede calcular a partir de los dos principios siguientes: a) Principio de movimiento de un fondo granular con una corriente permanente, tal como expresa el criterio de Shields para inicio de transporte de sedimentos. b) Principio de que la corriente no transporta sedimentos o sea condiciones de agua clara. Una vez determinada la posición de la superficie libre del agua para un cierto caudal, el cálculo de la socavación se realiza suponiéndola fija mientras se erosiona el fondo durante la creciente, aumentando así el área hasta que la corriente, cada vez mas lenta, sea incapaz de mover el material. Para tener en cuenta el acorazamiento del lecho puede emplearse por ejemplo el D84 como característico del material del lecho erosionado. En la realidad, la avenida no es permanente, transporta sedimentos y el cambio del fondo repercute en la superficie del agua. La consideración de agua clara suele conducir a erosiones por exceso pues no tiene en cuenta la aportación de material sólido desde aguas arriba, que sustituye al transportado por la corriente en el sitio de estudio. Sin embargo, las profundidades socavadas suelen considerarse iguales en el límite entre socavación en agua clara y en lecho móvil. Para calcular la profundidad de socavación, se asume que el suelo desciende hasta que la velocidad crítica iguala a la velocidad media del flujo, encontrada por ejemplo con la ecuación de Manning.

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1 2 / 3 1/ 2 R I ............................................................................................8.1 n La velocidad crítica puede calcularse entre otras, con expresiones como la siguiente:

V = C RI =

⎛ R Vcr = 21⎜⎜ ⎝ D50

⎞ ⎟⎟ ⎠

1/ 6

0.056

γ s −γ D50 ....................................................................... 8.2 γ

El método da en realidad el área socavada (Caudal entre Vcr) por lo que en la misma proporción en que se erosiona el área inicial, se puede asumir que ocurre la disminución del fondo del lecho.

δ =

As Ai

..................................................................................................................... 8.3

δ = proporción de la disminución del área por socavación As = área socavada Ai = área inicial

h Hs

Ds

Área inicial

Área final

Figura 8.1. Criterio para repartir la socavación general transitoria en una sección en un cauce único en alineación recta. Martín V., J. P. 1997.

Ds = profundidad de socavación general h = profundidad del agua Hs = profundidad del agua después de ocurrida la socavación general

El procedimiento anterior para ajustar las profundidades socavadas es aproximadamente válido para cauces con sección simple, pero si la sección es compuesta es posible aplicar la idea por secciones considerando el cauce principal y las laderas por separado pues en estas últimas el proceso puede ser distinto. 8.1.3 Ecuaciones de teoría de régimen

Las ecuaciones de teoría de régimen permiten estimar la socavación general correspondiente a una creciente. Se admite que durante la creciente se alcanza una determinada profundidad hm del agua que al restarla del nivel del agua se obtiene el nivel del lecho socavado. Al restar este UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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nivel, del nivel del fondo del cauce detectado en aguas bajas, se determina la erosión previsible. La profundidad hm definida por la fórmulas de régimen es la profundidad media en la sección socavada por lo que para obtener el máximo Hs en el punto más desfavorable, se debe multiplicar por un factor mayorante K dado en la siguiente tabla 8.1: Tabla 8.1. Factores mayorantes de la profundidad media. MOPT. 1988. Sección del río Factor mayorante K Tramo recto del cauce 1.25 Codo moderado 1.50 Codo acusado 1.75 Codo abrupto 2.00 Nivel de creciente

h Hs

Ds

hm

Lecho natural en aguas bajas

Lecho socavado

Figura 8.2. Socavación general a partir de las fórmulas de régimen. MOPT (1988).

Ejemplos de ecuaciones de régimen son las de Lacey y Blench 8.1.3.1 Ecuación de Lacey

hm = 0.128

Q1 / 3 ........................................................................................................ 8.4 Dm1 / 6

hm = profundidad media después del proceso erosivo............................................ [m] Q = caudal ..............................................................……........................………[m3/s] Dm = diámetro medio [m]

Según Lacey, la profundidad del agua después del proceso de socavación es mayor que hm y se puede corregir de la siguiente forma o usando los factores de corrección de la Tabla 8.1: En tramos rectos: Hs ≅ 1.25 hm En tramos curvos: Hs´ ≅ 2.00 hm La erosión general resultante es: Ds = Hs - h ..........................................................………............................................8.5 UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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h = profundidad del flujo antes del proceso erosivo 8.1.3.2 Ecuación de Blench ⎡ q ⎤ hm = α ⎢ ⎥ ⎣⎢ g ⎥⎦

2/3

.............................................................................................................8.6

⎡ q ⎤ H s = Khm = Kα ⎢ ⎥ ⎣⎢ g ⎥⎦

2/3

..............................................................................................8.7

K = factor mayorante del calado medio, Tabla 8.1. hm = profundidad media del agua después del proceso erosivo q = caudal unitario g = aceleración de la gravedad α = factor adimensional función del tamaño del material del lecho. Se obtiene de la Figura 8.3.

Blench Lacey

α

Diámetro medio del material del lecho (mm) Figura 8.3. Factor de la ecuación de Blench. MOPT. 1988.

8.2 Socavación en curvas

La socavación en tramos curvos de un cauce puede llegar a ser tres veces mayor que la socavación en tramos rectos. Cualquier método disponible para calcular la socavación general por contracción puede aplicarse siempre y cuando el modelo hidráulico del puente haya tenido en cuenta el efecto de la curvatura. A continuación se presenta el Método de Altunin que sólo requiere del conocimiento de las características de la curva en planta y el tirante de agua máximo aguas arriba del puente. La máxima profundidad de socavación puede ocurrir en cualquier parte a lo largo de la curva, pero más frecuentemente se presenta hacia aguas abajo de ella. H s = εhm .....................................................................................................................8.8 Ds = H s − hm ..............................................................................................................8.9 .. UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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Hs hm

ε ra B

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= profundidad de socavación general medida desde la superficie del agua [m] = tirante de agua máximo durante la creciente en el tramo recto aguas arriba del puente [m] = coeficiente que depende de la relación ra /B. Tabla 8.2 = radio de curvatura medido al centro del cauce [m] = ancho de la superficie libre del agua [m]

Tabla N 8.2. Coeficiente de Altunin. Maza Alvarez, J. A. (1987).

ra /B

ε

∞ 1.27

6 1.48

5

1.84

4 2.20

3 2.57

2 3.00

8.3 Variaciones del cauce en planta

Lane en 1957 analizó 144 ríos y estableció una relación entre el gasto medio, la pendiente, el material del fondo y de las márgenes y la forma del río en planta. La ecuación que propuso para ríos con meandros y trenzados para lechos en arena, fue la siguiente: ⎛ K ⎞ −0.25 S =⎜ ……………………………………………………………………….. 8.10 ⎟Q ⎝ 2.44 ⎠ S = pendiente m/m Q = gasto medio anual m3/s K = coeficiente que toma en cuenta la forma del cauce en planta.

En la Figura 8.4 se muestra la gráfica de la ecuación anterior, y se incluyen los valores K. Dicha gráfica debe usarse de la siguiente manera: conocido el gasto medio anual y la pendiente del río, se ubica un punto en dicha gráfica. Si el punto queda bajo la recta de K = 0.0017, el río será meándrico, si está sobre la recta de K = 0.01 será trenzado y si está entre las dos se tendrá un caso intermedio.

Figura 8.4. Relación entre gasto medio anual y la pendiente. Gracia S., J. y Maza A., J. A. (1997). Por ejemplo, si se tiene una corriente cuya pendiente es de 0.0001, y se calcula que el gasto

medio anual aumentará de 80 a 100 m3 /s, se desea saber la posibilidad de que pudiera UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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convertirse en trenzado. Empleando la gráfica de la Figura 8.4 para Q = 100 m3/s, se puede observar que el punto se ubica por debajo de la línea con K = 0.0017, por lo cual se concluye que el río continuará siendo sinuoso, y prácticamente seria imposible que con esa pendiente se volviera trenzado. 9. Migración lateral de la corriente

Los efectos de la inestabilidad lateral de una corriente sobre una estructura dependen de la magnitud de la erosión de las márgenes, de la migración de la corriente y de su diseño. En el caso de un puente, la erosión de las márgenes puede socavar pilas, estribos y terraplenes localizados por fuera del cauce principal. Además, la migración puede afectar el ángulo de ataque del flujo acentuando las socavaciones local y por contracción. En general, muchas de las corrientes naturales son sinuosas y la mayoría de las migraciones laterales ocurren en los codos de los meandros. El estudio del desarrollo geomorfológico de los lechos de inundación y geometría de meandros de los ríos, permite definir ciertas propiedades de su trazado, su movilidad lateral y pronosticar tendencias del desarrollo evolutivo, evidenciando algunas áreas de inestabilidad desde el punto de vista de la dinámica fluvial. Este tipo de investigación se lleva a cabo por medio de análisis multitemporales, que permiten definir sitios de migración lateral, agradación e inferir los de erosión, en la que la criticidad de un sitio se mide por la tendencia del río a cambios frecuentes del curso o a la magnitud del desplazamiento. En general tres métodos se tienen para evaluar la estabilidad lateral y longitudinal de la corriente o divagación: análisis secuencial de fotografías aéreas, mapas, planos topográficos e imágenes digitales; uso de relaciones de curvatura que definen la forma óptima del codo de un meandro; y uso del concepto de esfuerzos radiales para determinar la máxima fuerza por unidad de área en la parte externa de la curvatura del cauce, Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001). 9.1 Análisis con fotografías aéreas, mapas e imágenes de satélite

La forma mas segura de medir cambios en la geometría del cauce y movimientos laterales y longitudinales, es mediante estudios topográficos a través del tiempo pero rara vez esta información está disponible. Otra forma más accesible es mediante la comparación de fotografías aéreas, mapas e imágenes satélite de diferentes épocas. Precisión en este tipo de análisis depende de la longitud del período de análisis, la cantidad y magnitud de perturbaciones hechas sobre el cauce y el número y calidad de la secuencia de fotografías aéreas, mapas e imágenes. La estimación de la divagación del cauce se hace de alguna de las siguientes tres formas en orden de complejidad y precisión: ♦ Comparación visual de fotos aéreas, mapas e imágenes satélite tomadas en épocas diferentes. ♦ Medición de distancias a escala directamente desde las bancas a puntos de referencia comunes y fijos en las fotografías. ♦ Medición en un dibujo en el que los bordes históricos del cauce principal tomado de diferentes fotos se ha sobrepuesto en la misma escala. Este método requiere que las márgenes del cauce, el eje del cauce y los puntos comunes de referencia se dibujen en un papel transparente o en un acetato y en una escala adecuada. Esto permite que cada UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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margen o el eje del cauce se transfieran y superpongan en una hoja común de forma que se facilite su comparación para diferentes épocas. El área total erodada para cada período entre dos fotos se divide entre la longitud de la margen para definir el ancho de la migración. Al dividir la máxima distancia o la distancia promedio de la migración por el número de años entre las fotos se obtiene la tasa de migración máxima o promedio, respectivamente. La dirección de la máxima migración se obtiene al dibujar una línea perpendicular al eje en el sitio de la distancia mayor entre las márgenes de las fotos en comparación. Las mediciones por períodos permite correlacionar las migraciones con eventos hidrológicos y geomorfológicos de relativa importancia. Este proceso se repite para cada par de imágenes secuenciales o se puede usar la imagen mas antigua y la mas reciente. Adicionalmente, de los juegos de fotos se pueden determinar la longitud del meandro, su amplitud, sinuosidad y radio de curvatura. En la Universidad del Cauca se realizó un estudio sobre sitios críticos desde el punto de vista de la dinámica fluvial usando herramientas de Sistemas de Información Geográfica, el que incluyó el análisis de la migración lateral y de inundaciones para lo cual se requirió el trabajo con fotografías aéreas e imágenes satélites. La Figura 9.1 ilustra la metodología general del estudio. Definición de lineamientos generales Recolección de datos secundarios Cartografía Imágenes de satélite Topografía Fotografías aéreas Geología Suelos Hidrología Hidráulica Geomorfología Planes de ordenamiento territorial Informes de estudios previos Población Infraestructura

Identificación de procesos fluviales

Degradación Agradación Inundaciones

Verificación de información en campo Revisión, adecuación y estructuración de la información

Procesamiento digital de imágenes

Diseño e implementación del Sistema de Información Geográfica en ARC-GIS

Diseño del modelo Entidad - Relación

Implementación base de datos en ORACLE

Evaluación técnica de procesos fluviales

Identificación de elementos expuestos del ecosistema

Calificación cualitativa de los factores involucrados en los procesos fluviales y en los elementos externos Evaluación de la susceptibilidad para los procesos fluviales UNIVERSIDAD DEL CAUCA Evaluación preliminar de sitios críticos considerando todos los procesos

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Figura 9.1. Metodología general del estudio. Universidad del Cauca, Corporación Autónoma Regional del Cauca - CRC – Instituto Colombiano de Geología y Minería – INGEOMINAS, (2004). La Figura 9.2 ilustra la metodología para evaluación de los sitios críticos por migración y divagación del cauce.

Figura 9.2. Proceso para determinar sitios críticos por migración y divagación del cauce. Universidad del Cauca, Corporación Autónoma Regional del Cauca - CRC – e Instituto Colombiano de Geología y Minería – INGEOMINAS, (2004).

Para el caso de la migración del cauce se hizo un análisis multitemporal de la forma en planta de los ríos. El procedimiento desarrollado consistió en la determinación del desplazamiento UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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del río a través de la superposición de cauces de diferentes años que fueron digitalizados a partir de un mosaico fotográfico elaborado a partir de fotografías de los años 1978, 80, 81, 85 y de imágenes satélite de 1989, 2000, 2001, 2003. El procedimiento se ilustra en la Figura 9.3. Universidad del Cauca, Corporación Autónoma Regional del Cauca - CRC – Instituto Colombiano de Geología y Minería – INGEOMINAS, (2004). Fotografías aéreas año 197880-81 y 85 escaneadas

Imagen Landsat -TM 1989

Georreferenciación

Imagen Landsat-MSS 2000

Imagen Landsat -TM 2001

Imagen Landsat -TM 2003

Georreferenciación

Elaboración de mosaico Digitalización Cauce 1989 Digitalización Cauce 197885

Digitalización Cauce 2000

Digitalización Cauce 2001

Digitalización Cauce 2003

Superposición

Determinación de zonas de migración

Análisis de resultados

Figura 9.3. Metodología para el análisis de zonas de migración. Universidad del Cauca, Corporación Autónoma Regional del Cauca - CRC – e Instituto Colombiano de Geología y Minería – INGEOMINAS, (2004).

Las fotografías aéreas de los años 78, 80, 81 y 85, se utilizaron para la realización del mosaico para lo cual se requirió escánear las fotos una a una, georreferenciarlas y unirlas haciendo uso del software ERDAS 8.4 para construir el mosaico. Las imágenes satélites de los diferentes años de estudio fueron georreferenciadas mediante el mismo software. Los cauces de los ríos fueron digitalizados en Arcgis9. De la superposición y comparación de los cauces correspondientes a los diferentes años se establecieron las zonas de migración lateral. 9.2 Forma óptima del codo

El método más recomendable para estimar la tasa y magnitud de la migración requiere del uso de información empírica y datos históricos. Cuando esta información no está disponible o las condiciones futuras difieren muchos de las históricas, se puede estimar la máxima migración lateral a largo plazo con base en la forma óptima del codo en cauces naturales meándricos inconfinados y aluviales. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001) presentan la siguiente ecuación para determinar aproximadamente la máxima distancia de erosión lateral. UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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∆max = 2.5 a 4.5 WD .................................................................................................... 9.1 ∆max = máxima distancia de erosión lateral referida a la dirección media longitudinal del valle WD = ancho del cauce asociado al caudal dominante QD = caudal dominante o formador λ = longitud del meandro

El caudal dominante o de banca llena determina las dimensiones principales y características del cauce natural. Depende del caudal máximo y mínimo, la duración y la frecuencia de la creciente. Para corrientes perennes, se asume normalmente que el caudal de banca llena es aproximadamente igual a la media del caudal máximo anual, que varía entre el caudal con período de retorno de 1.5 años para regiones húmedas a 10.0 años para regiones áridas. Cuando se consideran relaciones hidráulicas geométricas, el caudal dominante puede ser tomado como el caudal a banca llena con un período de retorno de aproximadamente 1.5 años en la mayoría de los cauces naturales, ver Parte I sobre Geomorfología Fluvial.

MB

Figura 9.4. Esquema de un meandro idealizado. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001).

• Otros investigadores como Carlston y Schumm propusieron ecuaciones para calcular la longitud de onda de los meandros, Gracia S., J. Y Maza A., J. A. (1997). Por ejemplo, Schumm en 1972, propuso calcular la longitud de onda de los meandros λ y la sinuosidad P, (Figura 9.4), como: λ = 1935Qm0.34 M −0.74 …………………………………………………………………………... 9.2

Qm = caudal medio anual [ m3/s] M = porcentaje de sedimento transportado menor de 0.074 mm, tomado de la curva granulométrica

P = 0.94M 0.25 …………………………………………………………………………….. 9.3 Carlston propuso:

λ = 166Qm0.46 …………………………………………………………………………………9.4 UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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10. Cálculo de la socavación al pie de presas

El chorro de agua al caer por un vertedero llega al nivel inferior con una velocidad media proporcional al desnivel entre aguas arriba y aguas abajo. Esta velocidad disminuye a cierta distancia de la presa hasta alcanzar la velocidad normal del flujo por lo que hasta que se la condición de flujo uniforme una cierta distancia aguas abajo, existirá un flujo altamente turbulento, cuyas velocidades y remolinos producirán en la mayoría de los casos el arrastre del material de fondo y en consecuencia la socavación del lecho. El comportamiento del flujo se caracteriza por la formación de dos remolinos de ejes aproximadamente horizontales y de sentidos inversos de rotación, Figura 10.1. Al aumentar la profundidad de la socavación disminuyen las velocidades locales de los remolinos, hasta que se alcanza una velocidad límite incapaz de arrastrar las partículas del cauce, por lo que la socavación cesa. Si la profundidad a la que está fundada la presa es menor que la que alcanza la socavación máxima, se corre el peligro de que la obra pierda apoyo y falle. Existen muchas fórmulas para el cálculo de la socavación que produce una caída de agua en los materiales aluviales de los cauces. En este caso, al igual que en todos los casos que involucran flujo de agua con arrastre de sedimentos es muy difícil obtener resultados precisos, por lo que todas estas fórmulas proporcionan aproximaciones más o menos cercanas a la realidad. Una de las fórmulas más utilizadas es la de Schoklitsch, Suárez V., L. M. (1993).

S = 4.75

Y 0.20 q 0.57 D90

0.32

− TW ………………………………………………………………… 9.5

S = profundidad de socavación [m] TW = profundidad de flujo uniforme en el cauce [m] Y = altura de caída [m] q = caudal unitario [m3/s-m] D90 = diámetro del material del cauce para el cual el 90% em peso es mas fino [mm]

Y

TW S

Figura 10.1. Socavación al pie de la presa. Suárez V., L. M. (1993).

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La trayectoria de la lámina vertiente en caída libre, que define su área de impacto, Figura 10.2, se puede calcular mediante las siguientes expresiones suponiendo su trayectoria como la de una parábola en caída libre:

xi = V

2H …………………………………………………………………………… 9.6 g

xj =V

2(H + h ) ……………………………………………………………………… 9.7 g

V =

q ………………………………………………………………………………… 9.8 hc

q2 ……………………………………………………………………………….. 9.9 hc = g 3

hc

Figura 10.2. Trayectoria de la lámina vertiente. Suárez V., L. M. (1993). 11.

Cálculo de la socavación general por contracción

Métodos para calcular la socavación general debida a la contracción de un cauce se verán en el Capítulo 3 de la Parte IV sobre Cálculos de Socavación en Puentes. 12.

Cálculo de la socavación local en pilas y estribos

Métodos para calcular la socavación local en pilas y estribos se verán en la Parte IV, Capítulo 3, correspondiente a Cálculos de Socavación en Puentes. 13. Inundaciones

En la Universidad del Cauca se realizó un estudio sobre sitios críticos desde el punto de vista de la dinámica fluvial usando herramientas de Sistemas de Información Geográfica, el que incluyó el análisis de la migración lateral y de inundaciones para lo cual se requirió el trabajo con fotografías aéreas e imágenes satélites. El procedimiento siguiente se toma casi textualmente del estudio UNIVERSIDAD DEL CAUCA, Corporación Autónoma Regional del Cauca - CRC – e Instituto Colombiano de Geología y Minería – INGEOMINAS, (2004). UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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La Figura 13.1 ilustra la metodología general seguida para la evaluación de las inundaciones.

Figura 13.1. Proceso para determinar sitios críticos por inundación. UNIVERSIDAD DEL CAUCA, Corporación Autónoma Regional del Cauca - CRC – e Instituto Colombiano de Geología y Minería – INGEOMINAS, (2004). 13.1 Análisis de áreas susceptibles a inundación

Este trabajo presenta una metodología que se sustenta en la aplicación de los sistemas de información geográfica –SIG- para determinar el grado de susceptibilidad por inundaciones, su acción ante elementos expuestos y los sitios críticos en los ríos Desbaratado, Palo, Paila y Guengué, ubicados en el norte del departamento del Cauca (Colombia). En particular, la metodología para definir la susceptibilidad por inundación tiene dos enfoques partiendo de la información existente, siendo consecuentes los resultados esperados, con el grado de precisión según la información primaria y secundaria recopilada. Las dos grandes directrices de la metodología se ilustran en la Tabla 13.1 y son: (i)

Definición de zonas de susceptibilidad por inundación a partir de geoformas para ríos sin información topográfica, batimétrica, hidrológica y de suelos.

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(ii)

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Definición de zonas de susceptibilidad por inundación a partir de simulaciones hidráulicas para ríos con información topográfica, hidrológica y de suelos.

Tabla 13.1. Pasos para definición de zonas susceptible a inundación para ríos con y sin información. METODOLOGIA PARA LA DEFINICION DE SITIOS CRITICOS POR AMENAZA A INUNDACIONES RIOS SIN INFORMACION ZONAS DE SUSCEPTIBILIDAD A INUNDACIÓN : GEOFORMAS

RIOS CON INFORMACION ZONAS DE SUSCEPTIBILIDAD A INUNDACIÓN : SIMULACIONES HIDRÁULICAS.

INFORMACION BASICA PRIMARIA

SECUNDARIA

Topografia Batimetria Estaciones LM / LG (Aforos) Sedimentos Fotografias Aereas Imagenes de Satétlite Cartografia Usos del Suelo Geologia Geomorfologia Tipo de Suelo

Fotografías Aereas Imagenes de Satétlite Cartografia Usos del Suelo Geologia Geomorfologia Tipo de Suelo INTERPRETACION DE FOTOGRAFIAS AEREAS O DE SENSORES REMOTOS

PASO I

GEOREFERENCIACION DE: FOTOGRAFIAS AEREAS SENSORES REMOTOS GEOMORFOLOGIA GEOLOGIA USOS DEL SUELO

PASO II

DEFINICION DE GEOFORMAS ALUVIALES

PASO III

SUPERPOSICION CON CARTOGRAFIA EXISTENTE

PASO IV

DELIMITACION DE ZONAS VULNERABLES A INUNDACION

SIMULACION O MODELACION HIDRAULICA PASO I

GEOREFERENCIACION DE: FOTOGRAFIAS AEREAS SENSORES REMOTOS SECCIONES TRANVERSALES ESTACIONES HIDROMETRICAS TEMATICOS USOS DEL SUELO SEDIMETOLOGIA GEOMORFOLOGIA GEOLOGIA

PASO II

ANALISIS HIDROLOGICO SELECCION DE ESTACIONES HIDROMETRICAS VALIDACION Y DEPURACION DE INFORMACION HIDROMETRICA DESCRIPCION DE SERIES HIDROLOGICAS PRUEBAS DE HOMOGENIDAD HIDROLOGICA ANALISIS DE FRECUENCA PRUEBAS DE AJUSTE SELECCION DE CAUDALES DE DISEÑO

PASO III

ANALISIS HIDRAULICO ANALISIS DE LA GEOMÉTRICA DEL CAUCE Y LLANURA DE INUNDACIÓN. SELECCIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO DESCRIPCION DEL MODELO ALIMENTACION DEL MODELO SIMULACION HIDRAULICA

PASO IV

DELIMITACION DE ZONAS SUSCEPTIBLES A INUNDACION ASOCIADAS A PROBABILIDAD DE FRECUENCIA

13.1.1 Ríos sin información Metodología para definir zonas susceptibles a inundación a partir de geoformas

El estudio de zonas de inundación mediante geoformas se puede emplear para cauces con información escasa o nula en topográfica, hidrológica y de suelos y donde es poco factible realizar simulaciones de tipo hidráulico. En este caso, como primer paso se requiere recopilar fotografías áreas e imágenes satélite de la zona de estudio e información de fuentes secundarias sobre geología, geomorfología y uso del suelo; el análisis de las zonas de inundación se lleva a cabo a partir de la definición de geoformas definidas por medio de la fotointerpretación de las fotografías áreas. A continuación se resume la metodología paso a paso.

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•

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PASO I – Georreferenciación de información

El procedimiento de interpretación de las fotografías se puede ejecutar haciendo uso de software para procesamiento digital de imágenes o estereoscopio de espejos. Para este caso se usó estereoscopio de espejos y se realizó la interpretación de geoformas que fuesen susceptibles a inundación. Se debe anotar que estas geoformas no corresponden a un tiempo de retorno determinado, por consiguiente, este análisis se debe redefinir con un modelamiento hidrológico e hidráulico, siendo prudente enfatizar en que los resultados obtenidos dependen del detalle de la información que alimenta dichos modelos. Definidas las geoformas susceptibles a inundaciones, se deben georreferenciar y digitalizar, para ser utilizadas como insumos de análisis en el Sistema de Información Geográfica. La información cartográfica y alfanumérica asociada al análisis de susceptibilidad por inundación fue procesada e introducida a la base gráfica y de datos; se requirió digitalizar la información existente en formato análogo y estructurar y estandarizar la información digital.

•

PASO II – Definición de geoformas aluviales

El proceso de análisis geomorfológico inicia con la georreferenciación de planos, fotografías aéreas e imágenes de satélite multitemporales, lo que permite interpretar las formas del terreno (geoformas) y los usos del suelo actual (rugosidad de llanuras de inundación) de cuya información se produce el primer análisis de las zonas susceptibles a inundación y el tipo de terrenos afectados del sistema fluvial. Principalmente, se identifican los controles físicos naturales que ofrecen la morfología del terreno en contacto con el cauce y al paso de una creciente. Las principales geoformas identificables sobre planicies de inundación son1: 9 9 9 9 9 9

Cauces antiguos abandonados y tapones arcillosos Llanuras de inundación Albardones Barras y playas aluviales Cauce aluvial y cauces secos en conos Zonas resecadas y rellenos de cauce

Sin embargo, algunas geoformas asociadas a inundaciones no fueron identificadas en el presente estudio por lo que pueden ser consideras en trabajos posteriores, cuando se mejore el detalle de nivel de la información existente, estas son:

• • •

Depósitos de pantanos aluviales y zonas pantanosas permanentes Depósitos coluviales Conos aluviales

Con base en la fotointerpretación se delimitaron las planicies de inundación de las zonas de estudio, las cuales se describen a continuación, de acuerdo con las definiciones de Thornbury W. D. (1955) y otros autores (Informe CVC No. 71-4, 1971).

•

1

PASO III – Superposición con cartografía existente

PMC-CVC Caracterización del Río Cauca Capítulo 4 Geología y Geomorfología, 1998.

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Para detallar mejor las zonas susceptibles a inundación se considera necesario superponer la cartografía más reciente, permitiendo analizar si las nuevas intervenciones antrópicas en el sistema fluvial influencian la delimitación de áreas inundables, particularmente cuando las obras presentan un enfoque de adecuación y protección de tierras contra estas amenazas, diques perimetrales de cierre, espolones, canales de drenaje, desviaciones, rectificaciones de cauces, entre otras.

•

PASO IV - Mapeo de áreas susceptibles a inundación

Como se mencionó anteriormente, el objeto de la metodología termina delimitando las zonas susceptibles a inundación estimando si la geoforma presenta algún control al flujo o por el contrario es inundable. Este mapa se superpone con la cartografía existente, puesto que la infraestructura de la región puede presentar un enfoque de adecuación y protección de tierras contra estas amenazas (diques, espolones, rectificaciones de cauce, canales de drenaje…).

• Geoformas asociadas al valle geográfico del río Cauca (Colombia) y sus tributarios Barras y playas aluviales: las barras son depósitos acumulados debido a: (i) la migración lateral de canales dentro del cauce principal (lo cual genera la formación de islas, barras, playas), y/o (ii) la depositación vertical de los flujos de agua que inundan la planicie aluvial y el lecho, resultando la acumulación de sedimentos en capas definidas. Los sedimentos acumulados dentro del cauce debido a la divagación lateral están constituidos por los materiales que predominan en el río. Generalmente, estas acumulaciones son inestables y emergen en épocas de aguas bajas y medias. Las playas aluviales desarrolladas en el río Cauca sobre el lado interno de las curvas de meandros son de poca extensión debido a la intensa extracción de materiales de arrastre en el río. Las zonas pantanosas permanentes son áreas más bajas que el nivel general del valle, con abundancia de lagunas circulares pequeñas y sin desagüe, así como nacientes y ciénagas. Son reflejo de la proximidad del nivel freático en una zona limitada por el albardón natural del río Cauca o sus grandes tributarios. Estas zonas generalmente presentan problemas de salinidad en los suelos. Cauces antiguos abandonados y tapones arcillosos: Los primeros son antiguos lechos de ríos y arroyos. El tapón arcilloso es el que se forma en un cauce abandonado y aísla una laguna semilunar, la cual se conoce comúnmente como madrevieja. Ésta se desarrolla por procesos naturales de dinámica y divagación del cauce. Los tapones arcillosos se encuentran asociados sólo a las entradas y salidas de las madreviejas. Cauce aluvial y cauces secos en conos: los primeros son los depósitos aluviales acumulados en las llanuras y márgenes de los ríos y arroyos. Los cauces secos son depósitos acumulados en los ríos que cruzan los conos. Zonas resecadas y rellenos de cauce: son zonas de antiguos pantanos, resecadas e inundadas en varios períodos y finalmente secadas artificial o naturalmente; los rellenos de cauce se denominan a los depósitos de los cauces secos abandonados. De esta forma, todos los cauces naturales antes de la desembocadura en el río Cauca y durante gran parte de su recorrido forman estos depósitos y su tamaño depende de la capacidad fluvial para transportar y depositar material, conformando finalmente depósitos aluviales como consecuencia de la divagación del cauce en el valle o desbordamientos en épocas de grandes crecientes.

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Bordos o albardones naturales: son crestas bajas paralelas al curso del río, pierden altura y pendiente a medida que se alejan del mismo, su mayor altura se presenta cerca al cauce del río, debido a la acumulación de sedimentos causados por pérdidas repentinas de capacidad de transporte cuando el río desborda sus márgenes. Ello obliga a la faja de meandros existente a sobresalir por encima de la llanura aluvial baja. Bordos o albardones semilunares: se refieren a los bancos que se desarrollan en el lado interno de la curva de un meandro y crecen por la adición lenta de sedimentos; son los causantes de la migración del meandro. Se llaman también barra punta. -Otras geoformas asociadas a inundaciones Depósitos de pantanos aluviales y zonas pantanosas permanentes: los primeros corresponden a depósitos acumulados en las llanuras de inundación, más allá de los albardones naturales. Constan de extensas capas impermeables que varían de limos a arcillas; estas geoformas se caracterizan por espesores menores a 1.5 m y redes de drenaje que reflejan la posición de líneas antiguas de desagüe eventualmente borradas durante inundaciones sucesivas. Depósitos coluviales: son depósitos constituidos por detritos acarreados dentro del valle por el lavado de las pendientes y mezclados en cantidades variables con el material del talud. Conos aluviales: son formas resultantes de la acumulación de los sedimentos transportados por corrientes fluviales procedentes de las altas vertientes, que encuentran una disminución marcada de la pendiente en las partes bajas de las montañas para su depositación. 13.1.2 Ríos con información Metodología para definir zonas susceptibles a inundación a partir de simulaciones hidráulicas

•

PASO I - Georreferenciación de información

Este paso fue descrito en la metodología para definir zonas susceptibles a inundación para ríos sin información, no obstante su diferencia radica en información adicional para la modelación hidrológica e hidráulica. Para realizar un análisis geomorfológico e hidráulico más detallado se requiere contar con información topográfica, batimétrica, hidrológica y de suelos, que permita definir preliminarmente las áreas susceptibles a inundación y los sitios críticos usando métodos de modelación hidráulica. En los estudios con información secundaria se debe asegurar como mínimo la calidad de la misma sin olvidar la objetividad y la pertinencia de los datos. Una vez recopilada la información existente, se realiza una visita de reconocimiento y de inspección con el propósito de confirmar en buena medida los datos. Con una buena apreciación de la zona de estudio se hacen inferencias sobre posibles escenarios de simulación; de otro lado, el reconocimiento sirve para cotejar las formulaciones empíricas y caracterizar la zona de estudio con la mejor aproximación a las condiciones naturales (e.g. coeficientes de rugosidad estimados por diversas formulaciones: Limerinos, Strickler, Posada, entre otros) (Posada J. ,1998). UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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Otra parte adherente a la metodología, es la recopilación de información con campañas de campo, como son: muestreos sedimentológicos, análisis de secciones transversales del cauce, medición hidrométrica, topografías y batimetrías, actividades que incrementan los costos en los estudios pero mejoran la certeza de los resultados notablemente. El siguiente paso en ríos con información es el análisis hidrológico de la cuenca de aporte para obtener la magnitud y la frecuencia de los caudales máximos asociados a diferentes períodos de retorno y su efecto o asociación a los eventos de inundación.

•

PASO II - Análisis hidrológico

Como primera información se debe conocer el nivel de instrumentación hidrométrica, cartográfica y temática de la cuenca, puesto que el estudio hidrológico puede tender hacia una modelación estocástica o determinística o hacia un modelo de regionalización. Dependiendo del tipo de modelación se hará el tratamiento de la información base del estudio y se escogerá el tipo de modelo a usar. PASO III - Análisis hidráulico

Un análisis hidráulico sigue específicamente una metodología que puede tornarse entre básica y compleja dependiendo directamente de la calidad de la información y del grado de detalle esperado. Como se mencionó, la exactitud de una delimitación o mapeo de zonas susceptibles a inundación depende directamente de la información hidráulica recopilada en campo. El análisis hidráulico se puede soportar en una modelación que depende de la precisión de la información, como se verá más adelante; sin embargo, los requerimientos para una modelación hidráulica implican conocer una serie de componentes que rigen el tránsito de los caudales en un tramo de estudio, lo que hace necesario inicialmente, efectuar la caracterización desde varios tópicos: (i)

La geometría del cauce y llanura de inundación se detalla por medio de un levantamiento batimétrico y topográfico, que se georreferencia a un sistema cartográfico.

(ii)

Se estima la rugosidad de cauce, bancas y llanuras de inundación por medio de formulaciones o valores empíricas y experimentales.

(iii)

Se definen las condiciones hidráulicas de frontera: caudales y niveles de hidrógrafas, pendiente hidráulica, curvas de calibración de caudales. La primera de ellas se adquiere de la medición hidrométrica con estaciones ubicadas en la entrada y/o salida del tramo de estudio, la pendiente hidráulica se estima con topografía y aforos coordinados en tiempo y espacio y la curva de calibración de caudales es la relación encontrada entre varios caudales aforados (incluidos preferiblemente eventos mínimos y máximos) y los niveles.

9 Análisis de la geométrica del cauce y llanura de inundación El análisis de la geometría hidráulica de las secciones tiene como objeto determinar las formas típicas del cauce supliendo la carencia de información entre secciones batimétricas y topográficas muy distantes, precisando la geometría y la forma del cauce para una posterior simulación hidráulica. El tramo de estudio puede ser caracterizado por subtramos donde las

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secciones transversales conserven una geometría regular, para posteriormente generar información faltante. Las secciones deben estar espaciadas de tal forma que representen adecuadamente las condiciones reales del terreno: en cambios en la geometría (ampliaciones y reducciones bruscas), en la pendiente longitudinal, en los materiales del cauce y zonas aledañas (para determinar la rugosidad en cada sección). Leopold B. L, Wolman G. M y Millar P. J, 1964, mencionan que pueden generarse secciones transversales en tramos homogéneos obteniendo una sección típica a partir de n secciones levantadas, delimitando una forma promedio, lo que implica ubicar principalmente las secciones con similar relación de forma y un punto común (Figura 13.1). Esto se debe principalmente a suponer que en tramos homogéneos la composición del material del lecho, el poder del caudal dominante y la mecánica del transporte de sedimentos actúan de forma similar. Lo anterior principalmente en ríos meándricos (aluviales). 966.0

964.0 S14

Abcsisa (m)

962.0

S15 S16

960.0

S17 S19

958.0

S20 S21

956.0

S22 S9

954.0

TIPICA 2

952.0 0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

COTA (msnm)

Figura 13.1. Generación de una sección típica. 9 Modelo seleccionado El análisis de la información existente, la precisión requerida y las condiciones económicas del presente estudio, llevaron a la selección del modelo HEC-RAS como mejor alternativa.

El modelo seleccionado HEC-RAS fue desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos (USACE). Asociado a este modelo se emplea una herramienta de soporte desarrollada por el USACE denominada HEC-GeoRAS, que permite fácilmente realizar la caracterización geométrica del tramo de estudio, secciones transversales, coeficientes de rugosidad y caudales máximos, zonas de almacenamiento temporal y zonas de protección de crecientes con estructuras. El HEC-GeoRAS fue desarrollado como extensión del ArcView 3.x del Instituto de Investigaciones de Sistemas Ambientales (ESRI). Esta combinación de modelo y herramienta permite interrelacionar el HEC-RAS con los SIG, es decir, la simulación hidráulica con la posición geográfica de los elementos físicos del área de estudio. La versión 3.1.1 (2002) del HEC-RAS se soporta en el Sistema de Información Geográfica ArcView 3.2 para la elaboración de la geometría hidráulica. De aquí su nombre HECGeoRAS. Los requerimientos del modelo matemático HEC-GeoRAS son generalmente los UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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mismos de la mayoría de modelos hidráulicos unidimensionales: secciones transversales, rugosidad de cauce, bancas y llanura de inundación y condiciones hidrométricas de frontera para ajustar o calibrar el modelo. A continuación se presentan los datos y la metodología para implementar el HEC-Geo RAS soportado en SIG. HEC-GeoRAS es un sistema integrado diseñado para un uso interactivo en ambientes multiusuarios. El sistema está compuesto de una interfase gráfica para el usuario, análisis de componentes hidráulicos por separado, almacenamiento de datos y manejo de funciones, gráficos y facilidades en la generación de reportes. El modelo está diseñado para desarrollar cálculos hidráulicos en flujo permanente y no permanente, para redes naturales y artificiales, manejar una red completa de canales, un sistema dendrítico o un solo río. El componente de flujo permanente soporta análisis con flujos subcríticos, supercríticos, críticos y mixtos. El procedimiento básico de computación está basado en la solución unidimensional de la ecuación de energía. La pérdida de energía es evaluada por fricción (ecuación de Manning) y coeficientes de contracción y/o expansión multiplicados por el cambio en la carga de velocidad. La ecuación de Momentum es utilizada en situaciones donde el perfil de agua es rápidamente variado; en estas situaciones se incluyen flujos mixtos, saltos hidráulicos, hidráulica de puentes y evaluación de perfiles en la confluencia de ríos. 9 Alimentación del modelo hidráulico Se debe considerar los siguientes tópicos para la simulación hidráulica:

La información de entrada al modelo hidráulico la componen los siguientes tópicos: caudales máximos de diseño asociados a períodos de retorno o los caudales a los cuales se desea conocer su respuesta hidráulica, uso del suelo (para establecer las condiciones de rugosidad hidráulica), Modelo Digital de Terreno (extraído del levantamiento topográfico y batimétrico del cauce y llanuras de inundación), establecimiento de secciones transversales y fronteras del modelo aguas abajo. Modelo Digital de Terreno (MDT): En el SIG se edita un Modelo Digital de Terreno (MDT) basado en los puntos XYZ de la batimetría y topografía del cauce y llanura de inundación. Sobre este MDT se editan las bancas, direcciones de flujo principal, zonas de almacenamiento temporal, estructuras que impidan el flujo o áreas no efectivas de flujo (diques, terrazas,...). Uso del suelo y coeficiente de rugosidad: El uso del suelo en el tramo de estudio se reduce a la identificación de las coberturas del suelo: construcciones (casas, casetas, vías, puentes,…), vegetación de ribera y cultivos en la llanura de inundación. De esta forma se georreferencia el uso del suelo específicamente para determinar la rugosidad al flujo.

El proceso de modelación del terreno con HEC-GeoRAS termina generando un archivo de importación a HEC-RAS de la información que caracteriza la geometría hidráulica. Secciones transversales: Una vez elaborados los MDT`s se establecen las secciones transversales para la modelación hidráulica, estas se localizan priorizando sitios críticos y de interés como son: aguas arriba y abajo de puentes o de obra proyectada, (sobre el vertedero, pozo de amortiguación) y zonas urbanas, entre otros intereses. Condiciones de frontera: Los caudales de diseño corresponden a los estimados por la modelación hidrológica estocástica o determinística. La condición de frontera aguas abajo puede ser establecidas por niveles y caudales correlacionados, curvas de calibración de caudales y gradiente hidráulico obtenido para un aforo especifico. No obstante, HEC-RAS UNIVERSIDAD DEL CAUCA

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ofrece como alternativa, evaluar la simulación hidráulica tomando como condición de frontera el gradiente hidráulico como la pendiente del terreno. Una vez calibrado el modelo hidráulico, se pueden evaluar escenarios de condiciones con y sin proyecto, cuando se desea construir obras de control de inundaciones, de forma que se pueden simular condiciones de flujo para los requerimientos del usuario y establecer si existen cambios en la hidrodinámica de la corriente en la situación con proyecto. 9 Simulación hidráulica (HEC-GeoRAS) HEC-GeoRAS 3.1,1, se encuentra ligado a un SIG por medio de una extensión de ArcView GIS que provee al usuario un sistema de procedimientos, herramientas y utilidades para la generación de la geometría hidráulica del cauce y las rugosidades de la sección considerando bancas y llanura de inundación. Una vez generada la geometría hidráulica, la extensión de HEC-GeoRAS genera los archivos de importación del HEC-RAS, donde se ejecuta el proyecto hidráulico y en el cual se generan los archivos de importación de resultados al HECGeoRAS, principalmente niveles de inundación y velocidades de flujo, lo que permite elaborar los mapas de inundación en ríos con información.

Esta herramienta está diseñada para los usuarios con experiencia en el manejo del Arcview 3.x. Los usuarios, sin embargo, deben tener experiencia en modelar con HEC-RAS y tener comprensión de la hidráulica del río y una correcta interpretación de los modelos en el GIS. Se requiere ArcView GIS 3.2, con las extensiones de los Analyst 3D. Los resultados de la simulación generan planos de susceptibilidad a la inundación asociados a caudales máximos extremos según el período de retorno correspondiente. Con la modelación se puede determinar la profundidad y velocidad que alcanza el flujo no solo dentro del canal sino también en las zonas inundables aledañas al cauce para determinar el grado de vulnerabilidad de los elementos expuestos ante una creciente determinada según sea el desplazamiento - rápido o lento - de la onda de creciente.

• PASO IV - Mapeo de áreas susceptibles a inundación y sitios críticos Una vez realizada la simulación hidráulica e importados los archivos a ArcView, se pueden visualizar las áreas de inundación asociadas a los caudales máximos probables, de esta manera los resultados son expuestos sobre los mapas cartográficos básicos y temáticos, permitiendo un mejor análisis de los efectos de esperados de una inundación. Se pueden establecer áreas susceptibles a inundación asociadas a frecuencias de recurrencia de los caudales según los resultados de la modelación hidrológica. 14. Referencias

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Análisis, prevención y

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