GEOMORFOLOGIA FLUVIAL INTRODUCCION El objetivo fundamental de la geomorfología fluvial es la explicaciones de las relaciones entre procesos físicos del flujo de canales de lecho móvil , la mecánica de transporte de sedimentos forzados por el flujo y las fuerzas de canales canales aluviales creadas por el transporte transporte de sedimentos sedimentos .los ríos esencialmente esencialmente agentes de erosión y transporte que que suministran a los ocanos ocanos agua y sedimento procedentes del continente continente . El más importante de todos los procesos geológicos es el agua de escorrentía, este crea una gran parte del paisaje y forma llanuras de inundación en las que se construyen muchas de nuestras ciudades .finalmente .finalmente las escorrentías subterráneas subterráneas movilizan partículas partículas por debajo de la superficie superficie terrestre.
BREVE HISTORIA DE LA GEOMORFOLOGÍA FLUVIAL En el siglo !"## y !"### los ingenieros hidraulicos hidraulicos como $errault, %urrell, &uettard, 'esmarest y 'e %aussure se preocupaban por la degradación y formación del paisaje por la acción fluvial. El desarrollo científico de la geología y, por lo tanto de la geomorfología empieza con los estudios de los escoceses escocese s (untton y )yell. En el siglo !#! los avances mas interesantes se deben a los geólogos norteamericanos 'utton y $o*ell + nivel de base base de erosión , clasifico los ríos ríos , que documentaron la la acción de los ríos para para formar ca-ones. )as contribucio contribuciones nes del geólogo geólogo norteamerican norteamericano o &ilbert durante durante el siglo siglo !! procesos de la mecánica de flujos.
se ocupo de los
illiams illiams /orris estableció en 0122 su su siglo de erosión y mtodos mtodos cuantitativos de los los sistemas fluviales. fluviales. El tratado tratado de mayor mayor impacto que re3ne las las investigaci investigaciones ones de los autores autores fue fluvial fluvial processes in geomorphology geomorphology + 0245 , y otros . 6uantificación de los drenajes por (orton +0257 +0257 y ampliada por 8avoianu+0217 8avoianu+0217 . E n la actualidad podemos podemos ser capaces de efectuar labores de predicción predicción sobre el comportamiento comportamiento de las labores fluviales ante variaciones del medio ambiente.
EL SISTEMA FLUVIAL. CONCEPTO DE HIDROSISTEMA El sistema sistema se puede puede definir definir como una una combinación combinación significativa de cosas cosas que que forman forman un conjunto de cosas cosas conexión, interrelación y transferencia transferencia de energía energía y materia materia entre ellos. En el caso de de sistema fluvial no solo implica implica a los canales canales fluviales sino tambin a las escorrentías escorrentías y sedimentos sedimentos de laderas.
Variables de los ros
Variables d!ra"#e los i"#er$alos de #ie%&o desi'"ados Variables Geol('i)as Moder"as A)#!ales
0 .9iempo
independiente
:o relevante
:o relevante
;. geología +l +litología y estructura
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<. clima 5. vegetación +tipo y densidad
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7. relieve 4. peleo hidrología +descarga a largo plazo =. dimensio dimensiones nes del valle valle +anchura +anchura , profundidad y pendiente pendiente
'ependiente 'ependiente
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1.descarga media de agua y sedimentos 2. morf morfol olog ogía ía del del cana canall +anc +anchu hura ra profundidad , pendiente , forma y sistema
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independiente
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0>. descarg descargaa obser observad vadaa de agua agua y sedimentos 00. característica de flujo observadas +profundidad velocidad, turbulencia, etc.
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El )o")e&#o de *idrosis#e%a+ *idrosis#e%a+ El sistema fluvial es el conjunto de redes de drenaje y zonas de sedimentación de abanicos aluviales y deltas y tambin a las escorrentías y sedimentos de ladera.
MORFOMETRIA DE UNA CUENCA FLUVIAL ?na cuenca fluvial de drenaje comprende comprende toda el área que le proporciona la escorrentía escorrentía superfial. Es el resultado de las interrelaciones del flujo flujo de la material y la energía frente a la resistencia de la superficie topográfica . %istemas de ordenamiento@ Es la relación en que se encuentra encuentra los flujos. flujos. •
A.E. (orton
•
A.:.%trahler
•
A.). %hreve
•
B.E.%cheidegger
)a densidad de drenaje se obtiene a partir del cociente entre la longitud de los cauces •
que conforman el sistema fluvial de la cuenca, expresados en Cilómetros y el área
•
)a densidad de drenaje expresa las características geológicas del territorio de la cuenca.
•
)os factores que controlan la densidad de drenaje son@
D
)ito )itolo logí gíaa del del %ust %ustra rato to..
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$ermeabil $ermeabilidad idad del %uelo y capaci capacidad dad de infiltrac infiltración. ión.
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6obert 6obertura ura vegeta vegetall y tipo tipo de de la la mism misma. a.
Hidr,!li)a del -l!o -l!o -l!$ial -l!$ial El equilibrio de una partícula, en el fondo de un río aluvial, es perturbado si la resultante de las fuerzas fuerzas desestab desestabiliza ilizadoras doras +fuerzas +fuerzas de arrastre arrastre y alzamiento alzamiento hidrodinámi hidrodinámico co es mayor mayor que las fuerzas estabilizadoras que resisten el movimiento, tales como gravedad y cohesión. la cohesión es importante para sedimentos en el rango de limos y arcillas o arenas finas con diversos contenidos de limos y arcilla. 6uando 6uando el sedimento sedimento que compone compone el lecho lecho es granular granular incoherente incoherente las partículas partículas resisten resisten el movimiento principalmente debido al peso sumergido. )as partículas granulares se mueven como entidades simples. En cambio, cuando el material constitutivo del lecho es fino y contiene limo y arcillas, las fuerzas cohesivas predominan y son responsables de la resistencia a la erosión que exhiben tales materiales. En caso de erosión las partículas se mueven generalmente formando un conglomerado. )a morfología de los canal es fluviales naturalmente dependen de la interacción entre el flujo y la materia erosionable en el límite del canal. Estas interacciones varían sustancialmente para diferentes escalas temporales y espaciales. 'ebido a este carácter variable del flujo del rio, el canal se ajusta ala actuación de diferentes fuerzas para mantener una estructura coherente. El flujo del agua en un canal esta sometido a dos fuerzas principales, la gravedad y la pendiente del agua del canal, mientras que la fricción se opone al movimiento del agua.
TRANSPORTE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS DEFINICION )os sedimentos que transporta una corriente de agua son consecuencia natural de la degradación del suelo, puesto que el material procedente de la erosión llega a las corrientes a travs de tributarios
menores, por la capacidad que tiene la corriente de agua para transportar sólidos, tambin por movimientos en masa, o sea, desprendimientos, deslizamientos y otros. En un punto cualquiera del río, el material que viene de aguas arriba puede seguir siendo arrastrado por la corriente y cuando no hay suficiente capacidad de transporte este se acumula dando lugar a los llamados depósitos de sedimentos. Bunque es relativamente fácil obtener información del caudal, es mas difícil muestrear la carga de un curso fluvial. Esta carga se realiza en disolución, suspensión en el fondo del canal.
CARGA EN DISOLUCI/N 6ompre 6omprende nde los iones iones y molc molcula ulass que proced proceden en de la meteo meteoriz rizaci ación ón quími química, ca, por lo genera generall material material inorgáni inorgánica. ca. )a composici composición ón fluct3a fluct3a seg3n seg3n diferentes diferentes factores factores ambiental ambientales es +geologi +geologica, ca, clima, vegetación y topografía. )as aguas de los grandes ríos tienen una composición química similar y los iones dominantes son bicarbonatos, sulfuros y cloruros de calcio y sodio. )as aguas de $( acido por lo general a oxidaciones de sulfuros o aguas alimentadas por pantanos y marismas y suelen presentar una mayor carga química
LA CARGA EN SUSPENSI/N Está constituida por partículas de tama-o limo y arcilla, que son lo suficientemente peque-as para movilizarse por turbulencia en las aguas de los ríos. )a arena se levanta por fuentes corrientes y la gravilla puede entrar en suspensión durante las inundaciones. %e esta de acuerdo en que la fracción fina se mueve en todo el canal y se distribuye más o menos que las arenas tienen a concentrarse cerca del lecho.
LA CARGA DE FONDO 6onstituida por gravillas, cantos y bloques, se moviliza por rodadura o arrastre a lo largo del lecho del canal. %i la corriente es fuerte puede efectuar peque-os saltos. )a carga de fondo de arena se moviliza mas lentamente que el flujo de agua y los granos se mueven aisladamente en cualquier direcc dirección ión o bien bien agrupa agrupados dos por por rodadu rodadura ra y desliz deslizami amient ento. o. )os granos granos de mayor mayor tama-o tama-o se movilizan y las partículas redondeadas se desplazan más rápidamente que las planas.
TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN CAUCES NATURALES El área total que es cubierta por los cauces de las corrientes es sólo una proporción muy peque-a de la superficie total del terreno drenado por tales corrientes +puede ser 0F, pero sin embargo, los mecanismos de transporte de sedimentos en el cauce son los más destacados. El agua que fluye a lo largo de los cauces de los ríos realiza varios trabajos@ a erosiona el cauce del río, profundizándolo yGo ampliándoloH b transporta sedimentos, y c deposita sedimentos. )a naturaleza y extensión de estas actividades depende de la energía cintica de la corriente, y sta, a su vez, depende de la cantidad de agua, de la forma y tipo de cauce y del gradiente de la corriente. ?na corriente gasta su energía de varias maneras@ la mayor parte se consume en la fricción del agua sobre el cauce y entre partículas del fluido. )a energía de la corriente que queda para la erosión y
transporte de material es relativamente escasa. )a depositación tiene lugar cuando disminuye la energía y la corriente no puede mover por más tiempo el material que ha estado trasladando. El material que una corriente levanta directamente de su propio cauce +o que es aportado por la escorrentía de las laderas, por sus tributarios o por los movimientos en masa se mueve corriente abajo hacia su meta final, el ocano. 9res clases de materiales se distinguen en un cauce natural considerando 3nicamente la resistencia que ofrecen a ser transportados por una corriente@ materiales no cohesivos o granulares, materiales cohesivos y rocas. El material granular está formado por partículas sueltas. )a fuerza que un líquido debe hacer para mover las partículas es función del peso de cada partícula y del coeficiente de fricción interna. El material cohesivo está formado de partículas muy peque-as que ofrecen resistencia al f lujo de agua. %e necesitan velocidades de corriente más altas para erosionar partículas más peque-as del tama-o de arcilla y limo ya que la fuerza de cohesión que impide el transporte de las partículas por una corriente es considerablemente mayor que el peso de la partícula, pero una vez que esta fuerza es vencida, la partícula se puede comportar como si fuera granular y es transportada fácilmente en suspensión debido a su peso y tama-o reducidos. El material rocoso usualmente no es movido o erodado por una corriente de agua durante el tiempo de vida de una estructura. El material rocoso puede comportarse como como granular si está fracturado y la la energía del flujo es muy muy alta.
a0 De'rada)i(" del )a!)e )os materi materiale aless se degrad degradan an en difere diferente ntess tiemp tiempos@ os@ suelos suelos granul granulare aress suelto sueltoss se erosio erosionan nan rápidamente mientras que los suelos arcillosos son más resistentes a la erosión. %in embargo, la degradación final de suelos cohesivos o cementados puede ser tan profunda como la de suelos arenos arenosos os,, varian variando do el tiemp tiempo o en el cual cual se produc produce. e. $or ejemp ejemplo, lo, bajo bajo condic condicion iones es de flujo flujo constante, la degradación máxima se alcanza en horas para suelos arenosos, en tanto que puede tardar días en suelos cohesivos, meses en depósitos glaciales, piedras areniscas y pizarras, a-os en piedra caliza y siglos en rocas tipo granito. Es posible que varias crecientes crecientes se requieran para que se produzcan las máximas máximas prdidas de material, especialmente especialmente en suelos cohesivos, cohesivos, +(E6D01, ;>>0. )a interacción entre el flujo y el material granular aluvial ha sido más ampliamente estudiada debido a que es el caso más frecuente asociado con problemas en la hidráulica de ríos. )os sedimentos tienen su origen en el lecho, en las laderas del río y en la cuenca hidrográfica. ?na corriente puede transportar material de tres maneras@ 0 en solución, ; en suspensión y < por carga de fondo. 'ebido al proceso de transporte, el sedimento presente en una determinada sección del canal, en un momento dado, ha experimentado cambios en cuanto a su forma, tama-o y distribución de tama-osH esos cambios se deben principalmente a los fenómenos de abrasión y al de selección hidráulica.
1 Abrasi(" es la reducción en tama-o de las partículas de sedimento por acción mecánica, tal como impacto, impacto, deslizami deslizamiento, ento, frotación frotación +fricción +fricción,, rotación, rotación, salto, salto, suspensió suspensión n intermite intermitente nte o continua continua +dependiendo de la intensidad del flujo.
1 Sele))i(" o )lasi-i)a)i(" *idr,!li)a. 6onsiste en el agrupamiento, por la acción del flujo, de las partículas de sedimento que responden al flujo en una manera similarH al mismo tiempo, en la separación de aquellas partículas que responden al flujo en una forma diferente. I $or ejemplo, ejemplo, en un río de tama-o moderado, moderado, la mayoría mayoría de los granos superior superiores es a 0> mm no pueden ser movidos y tienden a acumularse en las partes altas de los valles aluviales +cuando ' J 0> mm, los granos se deslizan. $artículas entre 0 y 0> mm tienden a moverse por rotación sobre los granos más abundantes +arenas y pueden ser transportadas rápidamente +0 mm ' 0> mm. Brenas de tama-o grueso a fino +>.>4;7 mm ' 0 mm se mueven por tracción y suspensión intermitente con depositación temporal en dunas y barras puntuales. )imos y arcillas +' >.>4;7 mm se mueven principalmente en suspensión continua +como carga de lavado y pueden ser transportados rápidamente hasta la salida de la cuenca o pueden ser rápidamente depositados en las llanuras de inundación. El límite para las partículas finas es aquel tama-o que la turbulencia de la corriente no es capaz de levantar en suspensiónH el límite para las partículas gruesas es aquel tama-o que rueda difícilmente con la corriente. )os procesos de suspensión, transporte y posterior depositación del sedimento dependen no sólo de las condiciones del flujo sino tambin de las propiedades del sedimento.
b0 Me)a"is%os de #ra"s&or#e )os mecanismos de transporte pueden ser tres@ solución, suspensión y carga de lecho.
Sol!)i(". En la naturaleza ning3n agua es completamente pura. 6uando cae el agua y se filtra en el terreno, disuelve algunos de los componentes del suelo. 'espus el agua puede infiltrarse a travs de las aberturas, poros y grietas de la roca y disolver materiales a medida que se mueve. &ran parte de esta agua encuentra su camino hacia las corrientes, ubicadas a niveles inferiores. )a cantidad de materia disuelta contenida en el agua varía con el clima, la estación y la ubicación geológica y se mide en trminos de partes de materia disuelta por millón de partes de agua +ppm. En algunas ocasiones la cantidad de material disuelto excede de 0,>>> partes por millón, pero por lo com3n es mucho menor. )os compuestos que más frecuentemente se encuentran en solución en el agua que escurre en la superficie, sobre todo en las regiones áridas, son los de calcio y de magnesio. Bdemás, las corrientes llevan peque-as cantidades de cloruros, nitratos, sulfatos y quizá trazas de potasio.
PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS )as características que definen los procesos de suspensión, transporte y depositación del sedimento dependen no sólo de las condiciones del flujo sino tambin de las propiedades del sedimento, como son@
Ta%a2o. )a propiedad más importante de una partícula de sedimento es su tama-o por lo cual, ha sido sido la 3nica 3nica propie propiedad dad que caract caracteri eriza za los los sedime sedimento ntos. s. %olame %olamente nte si la forma, forma, densid densidad ad y
distribución granulomtrica granulomtrica son semejantes en diferentes sistemas hidráulicos, se pudiese considerar que la variación de su tama-o define la variación del comportamiento del sedimento.
For%a. Es una característica que determina el modo de movimiento de la partícula +grano de forma aplanada, aplanada, en el lecho, difícilmente difícilmente se mueve mueve por rotación, rotación, pero sí se desplazan fácilmente fácilmente o, eventualmente pueden saltar :ormalmente se define a travs de la redondez, esfericidad y el factor de forma. relación ón entre la masa masa que posee posee una partícu partícula la y su volumen. volumen. )a graved gravedad ad De"sidad. Es la relaci específica, gs, se define como la relación entre entre la densidad de la partícula partícula sólida y la densidad densidad del agua a 5 grados centígrados. )a mayoría de los sedimentos de los ríos son cuarzos o feldespatos cuya gravedad específica es ;.47H sin embargo, gs varía desde 0.<7 a 0.=> para la piedra pómez hasta =.4 para la galena. partícula y su volumen. Es igual al producto de la Peso es&e)-i)o. Es la relación entre el peso de la partícula densidad por la aceleración de la gravedad.
Porosidad "+ %e define como la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de granos o volumen de sedimentos.
Velo)idad de )ada3 4+ Es la velocidad límite que adquiere la partícula cuando cae en agua destilada, en reposo, de extensión infinita a una temperatura constante de ;5 grados centígrados. )a fuerza de arrastre sobre una esfera en reposo, sometida a la acción de un flujo uniforme con velocidad * se expresa mediante la siguiente ecuación@ K' L 6' x + $ '; G5M + r ; G;
FORMAS DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS 'os formas de socavación se presentan en un cauce seg3n que haya o no haya movimiento de sedimentos desde aguas arriba@ socavación en lecho móvil y socavación en agua clara.
Le)*o %($il o le)*o $i$o %e presenta cuando hay transporte de sedimentos del lecho desde aguas arriba hasta el sitio de inters y por lo tanto parte de este sedimento queda atrapado en el hueco de socavación. En este caso, la degradación alcanza equilibrio cuando la cantidad de material que es transportado iguala la cantidad de material que es removido. %e le conoce tambin como socavación en lecho vivo.
A'!a )lara %e presenta cuando no hay transporte de sedimentos del lecho desde aguas arriba al sitio de inters y por lo tanto no hay reabastecimiento del hueco socavado. En este caso, la socavación alcanza equilibrio cuando el esfuerzo cortante en el lecho es menor que el requerido para el inicio del movimiento de las partículas, o sea cuando el flujo no puede remover más partículas del hueco formado.
M!es#reo de sedi%e"#os )as muestras de sedimentos recogidas en una corriente, en una fecha determinada, sirven para determinar la carga de sedimentos transportada en ese momento. $ara determinar los procesos de erosión, transporte y depositación en esa corriente se requieren medidas sistemáticas +periódicas de la carga de sedimentos. )as mediciones de las variables hidráulicas y de las características del material del lecho y de las bancas sirven para determinar la capacidad de esa corriente para transportar sedimentos. sedimentos. )as formas de recoger las muestras de sedimento difieren, en principio, seg3n el modo de transporte +en el lecho y en suspensión. )a carga de sedimento del lecho es difícil de medir por varias razones@ N 6ualquier aparato colocado en el lecho o en su vecindad perturbará el flujo y por lo tanto, la tasa del movimiento del sedimento. N )a medida de la carga de fondo puede no ser representativa de toda la sección del canal, puesto que la velocidad y el movimiento del sedimento varían en espacio y tiempo. N Es difícil distinguir entre la carga de sedimentos del fondo en movimiento y el sedimento que se queda quieto. N Es difícil dise-ar un aparato que recolecte todos los tama-os de granos que hay en el fondo, especialmente cuando varían mucho en dimensiones.
Kig. 6aracterísticas de los materiales del lecho
Pro)edi%ie"#os de %!es#reo I %imons +02== propone el siguiente procedimiento para recoger muestras de material del fondo.
5. Si el le)*o es#, se)o+ N Aemover el material superficial del fondo hasta un espesor de ;'2>H eliminar el sedimento fino +por estar seco el lecho y preparar la muestra removida para el análisis granulomtrico. N Aecoger muestras a una profundidad d, cuya magnitud se determina considerando las características del lecho +pendiente, ancho, etc.. N 'eterminar '2> y '47 de de la primera muestra y '7> de la segunda segunda muestra. ;. %i el agua está fluyendo en el cauce N 9ratar de localizar una porción abandonada del canal para recoger muestras con fines comparativos.
N 9omar 9omar muestras del material disponible en la capa superficial del lecho para el análisis granulomtrico y usar estos resultados para determinar tama-o y distribución de las partículas. I )a 6omisión Kederal de Electricidad de /xico propone el siguiente procedimiento@ )as muestras se toman del cauce mismo, procurando no alterar la granulometría original y teniendo en cuenta los aspectos siguientes@ N Elegir un tramo recto del del río despus de realizar un recorrido recorrido de inspección. inspección. N )os lugares que se escojan escojan deben estar secos o semiDsecos, semiDsecos, sto es, donde no fluya fluya agua. N 'eben elegirse por lo menos cuatro puntos en cada sección, donde el material sea representativo del depositado en el cauce, dos en las márgenes y los otros dos cerca del centro. N ?na vez seleccionados los sitios de muestreo, se retira una capa superficial del suelo y se coloca sobre la manta o lona. )uego se extrae material subyacente y se deposita en otra manta. N $ara el caso de que existan depósitos en los que prevalezca la arena, es conveniente tomar muestras adicionales en las que no se retire la capa superficial.
USAR LOS SIGUIENTES CONCEPTOS PARA PARA LA TOMA TOMA DE MUESTRAS EN LOS RÍOS 0. :avegación con el &$% hasta encontrar las coordenadas de la sección a muestrear +previamente seleccionada en oficina. ;. ?na vez ubicada la sección se evaluó la conveniencia o no de realizar en ella el muestreo. En algunas ocasiones los sitios no eran los más representativos por encontrarse en curvas, por lo cual la ubicación se cambió ligeramente hasta encontrar una sección más representativa. <. %obre la sección se ubicaba la embarcación en la vertical de muestreo +franja derecha, centro o franja izquierda. 5. Extracción de la muestra por medio de la 'raga $ettersen o el 9ubo 6ilindrico. En trminos generales, el 9ubo 6ilíndrico fue utilizado para el muestreo cuando se observaba que la draga no recuperaba un volumen suficiente de muestra. Esto ocurría generalmente cuando se encontraban materiales gruesos +gravas y arenas gruesas. 7. Empaque y rotulación de la muestra para ser enviada al laboratorio. Kue necesario utilizar doble bolsa con adhesivo externo para garantizar la identificación de la muestra en laboratorio, ya que en el proceso de almacenamiento en la lancha, transporte y en general con la manipulación, los rótulos se deterioraban por la humedad.O 6"6G6orporación Butónoma Aegional del "alle alle del 6auca.
EROSI/N FLUVIAL )a erosión fluvial lleva a cabo por los procesos de corrasión, corrosión y cavitación.
LA CORROSION implica cualquier proceso químico que resulta de la meteorización del lecho y de las paredes del curso fluvial. la eversión es un tipo de corrosión en la que el flujo del agua suaviza el lecho sin ayuda de las partículas.
LA CORRASION este proceso consiste en el desgaste mecánico por impacto entre las partículas trasportadas y la erosión mecánica de cauce, que puede originar marmitas.
LA CAVITASI/N solo se puede producir grandes velocidades tales como en la base de cascadas y cataratas tambin en algunos conductos artificiales . )os cursos fluviales pueden erosionar su lecho y sus paredes
LA EROSI/N VERTICAL en el fondo de un canal aluvial tiene lugar cuando se movilizan las partículas del tama-o arena y grava, la erosión vertical se produce cuando la carga desgasta el lecho.
LA EROSI/N LATERAL se manifiesta cuando las paredes del canal se desgastan, normalmente por la socavación que sufren, lo que conduce a al generación de deslizamientos o la caída de paneles de las paredes
