ESTIMACIÓN DE C ARGA ARG A DE D E SEDIMENTO EN S USPENSIÓN
La concentración es la cantidad de partículas contenidas en un volumen de líquido, la cual se puede calcular comparando pesos (concentración en peso) o volúmenes (concentración en volumen). En hidráulica fluvial se considera que la concentración de partículas en suspensión no incluye materia vegetal ni sólidos disueltos. El laboratorio de Ingeniería Sanitaria de la Facultad de Minas de la Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín, realizó los ensayos de sólidos suspendidos totales (Anexo 1) de las muestras obtenidas en los aforos sólidos llevados a cabo en la campaña de campo en el sistema conformado por el río Saldaña y el distrito de riego USOSALDAÑA, en el departamento del Tolima. Los ensayos de concentración realizados en laboratorio, fueron ejecutados sobre una parte de la muestra tomada en campo para estimación e stimación de sedimentos en suspensión, y que fue obtenida con el muestreador de bolsa p legable y USDH-48. La concentración mg/l o ppm (partes por millón) muestra la cantidad de unidades de sólidos suspendidos que hay por cada millón de unidades del conjunto. Con base en la concentración del sedimento en el flujo, puede ser estimada la carga de sedimento o caudal sólido ( Qs) transportado por la corriente, que se define como la cantidad de material sólido que atraviesa la sección del canal en la unidad del tiempo bajo unas condiciones hidráulicas determinadas. Comprende la carga de fondo y la carga en suspensión, el primero refiriéndose al material del canal que es transportado en las vecindades del lecho, y el segundo a la al material que transita suspendido en el flujo. La carga de suspensión que transporta el flujo se determina a partir de los valores medidos del caudal líquido y la concentración de sedimentos, a partir de la siguiente ecuación: Q s = CsQ l
Donde: Qs: carga de sedimento en suspensión; C s: concentración de sedimento en suspensión; Ql: caudal líquido. SEDIMENTO DE FONDO
El objetivo principal de la toma de muestra de fondo en este estudio, es determinar el transporte de sedimentos del lecho, para ello el procedimiento de muestreo consistió básicamente en evaluar sólo material de la capa superficial, ya que éste se encuentra
estrechamente ligado con las características hidráulicas de la corriente, así como el material transportado cerca de las vecindades del lecho (carga de fondo) con el fin de complementar la carga total de sedimento transportado por la corriente. Con el muestreo realizado se procedió a realizar un análisis granulométrico para obtener la distribución del material disponible en el cauce según las muestras recopiladas en campo, buscando obtener los diámetros característicos de la corriente. Para caracterizar el material del fondo del río Saldaña en la sección de aforo se aplicó la técnica conocida como “Conteo aleatorio de Piedras de Wolman”, diseñada para río
son material grueso (tamaños mayores que arenas). También se midió la carga de fondo o material que estaba siendo transportado por la corriente el día de la medición. Durante el conteo de piedras se recogió una muestra del material más fino (cuyos tamaños no admiten medición en campo). Las dos muestras fueron llevadas al laboratorio para el análisis granulométrico correspondiente. Muestreo de carga de fondo: la toma de muestra se realizó con el Helley-Smith durante un periodo de 1 minuto en el fondo del cauce. Muestreo de material del lecho: se tomó una muestra superficial del fondo en el centro de la sección de aforo. Muestreo superficial aleatorio: Se realizó conteo de Wolman en una barra puntual. La medición de la carga de fondo se realizó, con el uso del equipo conocido como Helley Smith. El muestreador Helley Smith (Emmett, 1979) se recomienda para lechos de gravas y arenas. Consiste en una boquilla de sección rectangular unida a una bolsa permeable donde se recoge el material. El pórtico que asegura el muestreador, bajo lechos vadeables posee un soporte que permite la adaptación de una barrilla y para profundidades considerables el dispositivo tiene una aleta para alinear el aparato con la corriente (Foto 6).
El Helley Smith en el presente estudio estuvo sumergido 1 minuto. Posteriormente se realizó un lavado de los sedimentos que quedaron atrapados en la malla y estas muestras fueron guardadas en recipientes plásticos previamente marcados para realizar en laboratorio los ensayos de granulometría correspondientes.
Muestreador para carga de fondo, Helley Smith. Izq. Modelo 8015, vadeable: Der. Modelo 8055 cable suspendido.
Para la caracterización granulométrica del material de fondo se tomó una muestra puntual en el centro de la sección de aforo, utilizando un recipiente lastrado para asegurar que la muestra llegara hasta el fondo del canal. El análisis granulométrico de la muestra tomada se hizo usando procedimientos estadísticos que relacionan el peso de la partícula retenida en el tamiz y el tamaño de la malla del tamiz. Se representa usualmente en forma gráfica en donde las ordenadas contienen el porcentaje de la partícula en peso que es más pequeño que el tamaño representado por la malla y las abscisas contienen el tamaño de la apertura de la malla. Caracterización del material del lecho. Conteo aleatorio de piedras de Wolman
La caracterización del material grueso del cauce se realizó mediante la aplicación del método de Wolman (Wolman, 1954), el cual, a partir de una división en cuadrícula de un tramo estable del canal (tramo recto con geometría relativamente uniforme y pendiente homogénea) se establece la granulometría del mismo, mediante la medición de la mayor dimensión del material que se encuentre en el intercepto de cada rectángulo que define la cuadrícula, se mide el eje medio de las partículas que sean susceptibles a ser retiradas del lecho (desde grava muy fina > 2 mm hasta cantos grandes < 180 mm); para las partículas embebidas o las que son demasiado grandes para ser movidas de su lugar, se mide la menor longitud de los ejes expuestos. Posteriormente se grafica la frecuencia de ocurrencia de cada partícula en los rangos milimétricos definidos (Posada, 1994). La curva granulométrica característica para cada cauce se obtiene a partir de la acumulación de material retenido para cada rango de partícula, de donde se pueden determinar los diámetros requeridos. Para la zona de estudio, se realizó en campo la medición del material en una barra puntual (0), ubicada aguas arriba de la bocatoma, dadas las condiciones del flujo y la tipología de la corriente, obteniéndose la curva de frecuencia del material y la curva granulométrica característica para cada uno. La toma de datos se realizó dividiendo la barra lateral en una cuadrícula que asegurara al menos 75 vértices dentro de la cuadrícula.
Datos del aforo sólido en el río Saldaña.
Sitio Tipo de carga
Aguas arriba de Bocatoma Aguas abajo de Bocatoma Puerto Gallina Suspensión Arrastre Suspensión Arrastre Suspensión Arrastre
D16 (mm)
0.012
0.45
0.010
0.27
0.008
0.17
D35 (mm)
0.017
0.68
0.017
0.33
0.018
0.22
D50 (mm)
0.021
0.86
0.023
0.36
0.026
0.26
D65 (mm)
0.031
1.31
0.031
0.39
0.033
0.29
D84 (mm) Cs (mg/l) Qs (ton/día) Qt (ton/día)
0.042 484 10187
1.99 93,1 1958
0.041 539 9803
0.72 111,4 2026
0.048 301 6065
0.38 136,6 2753
Ct (mg/l) Q (m³/s)
12145
11829
8818
577,1 243,5
650,4 210,5
437,6 233,2
Perfil longitudinal del río Saldaña, desde Coyaima hasta Puente Saldaña.
Durante el aforo De los aforos de sólidos en suspensión realizados en el río Saldaña, se obtuvieron datos de carga de sedimentos y diámetros característicos, los cuales se muestran en la Error! Reference source not found. y Error! Reference source not found. respectivamente. Se midió la carga de sedimentos de fondo o carga de arrastre con el muestreador Helley Smith y se recogió una muestra (Tabla 6) durante un minuto; luego se llevó esta muestra al laboratorio para pesarla y preparar la curva granulométrica. Tambien se trajo una muestra del material mas fino presente en el lecho para complementar con el conteo de Piedras de Wolman. Los diámetros característicos de carga de fondo se muestran en la tabla Carga de sedimento de fondo, río Saldaña. Carga Ancho de la sección Carga Fondo Sitio de Aforo (g) (m) (Ton/día)
Durante el aforo De los aforos de sólidos en suspensión realizados en el río Saldaña, se obtuvieron datos de carga de sedimentos y diámetros característicos, los cuales se muestran en la Error! Reference source not found. y Error! Reference source not found. respectivamente. Se midió la carga de sedimentos de fondo o carga de arrastre con el muestreador Helley Smith y se recogió una muestra (Tabla 6) durante un minuto; luego se llevó esta muestra al laboratorio para pesarla y preparar la curva granulométrica. Tambien se trajo una muestra del material mas fino presente en el lecho para complementar con el conteo de Piedras de Wolman. Los diámetros característicos de carga de fondo se muestran en la tabla Carga de sedimento de fondo, río Saldaña. Carga Ancho de la sección Carga Fondo Sitio de Aforo (g) (m) (Ton/día) Aguas arriba de Bocatoma 1052.68 221.20 57712.23 Aguas abajo de Bocatoma 626.34 171.17 26571.99 Puerto Gallina 881.40 165.30 36110.40
Caracterización del sedimento grueso
Esta caracterización permite determinar el modo de movimiento de la partícula dentro de la masa de agua, granos de forma aplanada difícilmente se mueven por rotación en el lecho pero sí se desplazan eventualmente por saltos, mientras que partículas redondeadas tienen más fácilmente a rodar y se desplazadas por velocidades del flujo menores. Normalmente se define a través de la esfericidad y el factor de forma (Posada, 1994). Para la determinación de la forma del material grueso del río fueron tomadas en campo un total de cinco (5) muestras de diferente composición mineral, que permitieran una buena caracterización del material perteneciente a la corriente. Características del material grueso del lecho del río Saldaña. Muestra Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 4 Muestra 5
a (cm) 12.80 8.50 9.50 8.80 9.00 Promedio
b (cm) 6.70 6.00 6.50 8.00 6.00
c (cm) 6.20 4.30 3.80 2.75 4.50
Esferi cidad 0.63 0.71 0.65 0.66 0.69 0.67
Factor forma 0.67 0.60 0.48 0.33 0.61 0.54
Peso gr 34.16 31.26 23.19 24.57 29.86 28.61
Volumen (cm3) 12.85 11.74 9.10 10.15 10.87 10.94
Peso específico (kN/m3) 26.05 26.09 24.99 23.72 26.92 25.55
Donde a es la arista más larga; b, la arista de longitud intermedia y c, la más corta. La esfericidad (Ω) juega un papel importante en la determinación de la velocidad de
caída. Se define como la relación entre el área superficial de una esfera de volumen equivalente al de la partícula y el área superficial de la misma. La Error! Reference source not found. muestra los valores de la esfericidad para el material del lecho del río Saldaña.
3
b b a c
2
3
bc a
2
El factor de forma se define por la siguiente ecuación F . F
c ab
En canales naturales, el factor de forma ( FF ) puede variar entre 0.5 y 0.9. Para el río Saldaña se obtuvo un valor de 0,54 (Tabla 10) indicando que las partículas del lecho del río son poco redondeadas (0) pero muy pulidas (abrasión) a causa de las altas tasas de transporte.
Material grueso transportado por el río Saldaña. Barra puntual aguas arriba de la bocatoma del distrito de riego USOSALDAÑA.
El peso específico del material de fondo fue determinado (25.55 kN/m 3) como la ponderación del peso de cinco rocas tomadas aleatoriamente del lecho del río Saldaña (Tabla 10). A partir de las muestras obtenidas mediante la metodología de Wolman se obtuvo la distribución granulométrica del material del fondo del río Saldaña, según se muestra en la Figura 4. A partir de la curva se obtuvieron los diámetros característicos del sedimento grueso, tal como se muestra en la 0. D16 19.58
Diámetros característicos (mm) del material del lecho del río Saldaña. s D35 D50 D65 D84 27.73 33.57 39.41 54.30 1.66
Gr 1.67
El coeficiente de gradación Gr = 0,5(D 84/D50 + D50/D16) = 1.67 y la desviación estándar de la distribución de tamaños, s = 1.66 = (D84/D16)1/2, indicando que el material esta mas o menos bien gradado. 120%
o d 100% a l u m 80% u c A 60% e j a t n 40% e c r o P 20% 0% 1
10
100
Diámetro (mm) Curva Granulométrica
D16
D35
D50
D65
D84
Curva granulométrica del material del lecho del río Saldaña.
