MEDICION Y MUESTREO DE SEDIMENTOS 1. Introducción Para tener el conocimiento de la erosión, movimiento y depósito de sedimentos en el suelo, corrientes, almacenamientos de agua, es necesario aforar el sedimento transportado tanto en suspensión como en el fondo. La obtención de esta información es costosa, si se compara con otra clase de datos. A lo largo del recorrido de un rio, presenta cambios en el perfil longitudinal de su lecho, en la geometría de sus secciones transversales y en las características de los materiales que las constituyen, por lo que el caudal que escurre se comporta de diferentes maneras. En ríos de alta montaña, donde su pendiente es mayor y el agua corre a mayores velocidades con tirantes comparativamente más pequeños que en las zonas de planicie.
Figura N°1. Proceso de aforamiento y muestreo de sedimentos en rio
2. Objetivos Aforar el sedimento permite realizar lo siguiente: • Evaluar el volumen de sedimento arrastrado en una cuenca, considerando las diferentes condiciones de geología, suelo, clima, precipitación, topografía, cobertura vegetal, densidad de drenaje y uso del suelo. • Estimar en el tiempo la concentración del sedimento y el grado de transporte de las corrientes. • Evaluar la erosión y depósito del sedimento en el sistema de drenaje. • Conocer la cantidad y la granulometría del sedimento que entra a un cuerpo de agua para diferentes condiciones del flujo. • Encontrar la relación entre el sedimento y la calidad del agua. 3. Hipótesis Se puede establecer las siguientes hipótesis: 1
-En un tramo cualquiera del cauce de un rio, existe solo un material único (deposito característico del tramo), denominado material original. La curva granulométrica de dicho material es la llamada granulometría original o característica del cauce. -Debido a los procesos de erosión o sedimentación que ocurre en diversas zonas de un tramo de rio, se produce un proceso temporal y local de separación de los distintos tamaños de las partículas que forman el material original o característico del cauce. Dicha separación es tanto más notable cuanto mayor es la variedad de tamaños. -Debajo de la coraza o armadura de un lecho, se encuentra siempre el material original o característico del cauce.
Figura N° 2. Acorazamiento de un lecho de rio
4. Consideraciones a tomarse en cuenta para el muestreo y granulometría Para determinar la granulometría efectiva o característica de un tramo de rio, se sugiere tomar en cuenta en el muestreo lo siguiente: -Tomar muestra de las zonas representativas del tramo de que se trata o sea de las zonas de erosión y deposito: del lecho, islas playas o márgenes. -Hay que cuidar no perder material al tomar muestras bajo el agua, ya que al sacarlas inadecuadamente el agua las lava o arrastra consigo una buena parte del material menos grueso. -En las zonas en seco y sin cobertura vegetal, se toman muestras del material que yace sobre la superficie del lecho y mediante excavaciones a cielo abierto a diferentes profundidades. En caso que exista vegetación, no se toman muestras superficiales, sino profundas. -Hay que recolectar adecuadamente el material grueso, tanto el superficial de las zonas acorazadas, como el que se localiza a distintas profundidades, ya que suele ser ignorado por muy grande y pesado o es fracturado por el equipo muestreador. -Respecto al tamaño de las muestras hay que recordar que cuanto mayor es el peso o volumen de una muestra tanto menor es la dispersión, ya que aumenta así la posibilidad de captar partículas de todos los tamaños existentes en el cauce que se estudia. 2
- Tratándose de material fino que contenga arenas se recomienda que el tamaño de las muestras sea por lo menos de 5 Kg; si el material del cauce comprende gravas, el tamaño mínimo de la muestra será de 10 Kg; y si el material engloba hasta cantos, las muestras no deben ser menores de 20 Kg. Además los cantos y bolos que no puedan ser cribados, deberán pesarse y medirse en el sitio, cuando sea posible, quedando determinado su tamaño por la mayor de sus dimensiones triaxiales. -Etiquetar las muestras para distinguir así el material del fondo de las orillas, el de las zonas de depósito del de las de erosión, indicando bien el sitio, nombre, sección y profundidad. -Determinar la curva granulométrica característica del cauce, con base en el análisis granulométrico de todas las muestras tomadas en el lecho, barras, playas o islas del rio, tamizando sumando las muestras o granulometrías; es decir, el peso del material retenido en una malla determinada queda definido por la suma de los pesos retenidos por cada malla y se continua con los cálculos habituales para determinar tubularmente la curva granulométrica representativa de todas las muestras lo cual se dibuja en papel semilogaritmico. -Analizar si la granulometría característica tiende a seguir una distribución teórica o modelo. Para poder cumplir con lo señalado, se requiere de un conocimiento detallado de los muestreadores, de las técnicas para el aforo de los sedimentos, y del análisis y preparación de los registros de sedimentos para su posterior uso. 5. Muestreadores Un sin número de equipos de medición han sido desarrollados para medir el transporte de sedimentos, estos datos de medición son necesarios para determinar cuantitativamente y establecer o verificar expresiones analíticas o empíricas que permiten calcularlo. Muy pocos de los equipos de medición desarrollados son aceptados universalmente, por ello se hace necesario utilizarlos con extremo cuidado y dentro de su rango de aplicación.
6. Transporte en suspensión Los equipos para obtener muestras representativas de sedimentos que se mueven en suspensión en el interior de una corriente y que ayudan a calcular el arrastre en suspensión, pueden agruparse 3
dentro de tres grupos: los instantáneos, que captan súbitamente la muestra agua-sedimento; los integrales, que captan o complementan la muestra de un cierto recorrido o en un punto dado la muestra; los de registro continuo. Es conveniente señalar que los equipos de medición o muestreadores de material en suspensión deberán cumplir con lo siguiente: • Permitir que la muestra sea captada con igual velocidad que la de la corriente. • Dejar que la boquilla de muestreo pueda captar muestras lo más cerca posible del lecho del río. • Minimizar la perturbación que el muestreador produce al ser introducido en la corriente, especialmente en la boquilla de muestreo. • Manejarlo fácilmente dentro de la corriente y orientarlo adecuadamente en la dirección del flujo. • Disponer de un mantenimiento simple y económico. • Contar con recipientes homogéneos de vidrio. Las muestras de sedimentos recogidas en una corriente, en una fecha determinada, sirven para determinar la carga de sedimentos transportada en ese momento. Para determinar los procesos de erosión, transporte y depositación en esa corriente se requieren medidas sistemáticas (periódicas) de la carga de sedimentos. Las 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. 7. Procedimientos de muestreo de material de fondo Simons (1977) propone el siguiente procedimiento para recoger muestras de material del fondo. 7.1. Si el lecho está seco: – Remover el material superficial del fondo hasta un espesor de 2D 90; eliminar el sedimento fino (por estar seco el lecho) y preparar la muestra removida para el análisis granulométrico. – Recoger muestras a una profundidad d, cuya magnitud se determina considerando las características del lecho (pendiente, ancho, etc.). – Determinar D90 y D65 de la primera muestra y D50 de la segunda muestra. 7.2. Si el agua está fluyendo en el cauce – Tratar de localizar una porción abandonada del canal para recoger muestras con fines comparativos. – Tomar muestras del material disponible en la capa superficial del lecho para el análisis granulométrico y usar estos resultados para determinar tamaño y distribución de las partículas. • Se propone el siguiente procedimiento: Las muestras se toman del cauce mismo, procurando no alterar la granulometría original y teniendo en cuenta los aspectos siguientes: – Elegir un tramo recto del río después de realizar un recorrido de inspección. – Los lugares que se escojan deben estar secos o semi-secos, ésto es, donde no fluya agua. – Deben elegirse por lo menos cuatro puntos en cada sección, donde el material sea representativo 4
del depositado en el cauce, dos en las márgenes y los otros dos cerca del centro. – Una vez seleccionados los sitios de muestreo, se retira una capa superficial del suelo y se coloca sobre la manta o lona. Luego se extrae material subyacente y se deposita en otra manta. – Para 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.
7.3 Selección del método de muestreo Para la selección del método de muestreo de acuerdo con Kellerhals y Bray se deben considerar tres aspectos: (i) debe muestrearse la población correcta. Por ejemplo, si se investiga la rugosidad del cauce, debe muestrearse la capa superficial; (ii) el procedimiento debe ser eficiente, generando un máximo de resultados útiles para el tiempo y los recursos disponibles; y, (iii) la distribución de tamaños de gravas obtenida debe ser comparable con los datos en los se basan la mayoría de las teorías aceptadas sobre el transporte de sedimentos e hidráulica fluvial. Estas teorías tratan generalmente con material del lecho en el rango de arenas y utilizan habitualmente métodos de muestreo volumétrico y análisis por peso (tamizado) para describir la composición del material del lecho y del sustrato. Todos los demás procedimientos de muestreo y análisis deberían ser equivalentes al muestreo volumétrico y análisis por peso, o en caso contrario, los resultados deben convertirse a su equivalente antes de usarlos (Kellerhals y Bray.1971).
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7.4 Muestreo de la carga del lecho Los muestreadores para sedimento de fondo pueden ser de varios tipos y su escogencia depende en gran medida del tipo de material a muestrear. -El muestreador Helley – Smith (Emmett, 1979) se recomienda para lechos de gravas y arenas (Figura 3.2). Consiste en una boquilla de sección rectangular unida a una bolsa permeable donde se recoge el material. El pórtico que asegura el muestreador contiene un dispositivo (aleta) para alinear el aparato a la corriente. Tanto la boquilla como la malla que conforma la bolsa difieren en dimensión para lechos de grava o arena.
Figura 3 Muestreador Helley - Smith.
-El muestreador US-BM-54 (Figura 3.3) se utiliza para tomar muestras de material del fondo (Bed material, 1954: BM-54). El dispositivo está hecho de hierro fundido, equipado con aletas direccionales para el flujo y es mantenido en posición mediante un cable de acero desde la superficie. El cable se distensiona automáticamente cuando el muestrador toca el fondo e 6
inmediatamente se abre el dispositivo ubicado en la parte inferior del muestreador para recoger la muestra de los primeros 5 cm del lecho; el dispositivo se cierra inmediatamente para no permitir que la muestra sea lavada mientras se sube el muestreador hasta la superficie.
Figura 3.3 Muestreador US-BM-54. Existe otro tipo de muestradores más manuales, recomendados donde el material del fondo sea más fino que la grava. Ellos son del tipo draga, cucharón o almeja. El muestreador se deja llegar al fondo para recoger el material de las dos primeras pulgadas del fondo. Ellos son similares excepto que, para su operación, el primero utiliza un cable y el segundo un eje.
8. Muestreo del sedimento en suspensión La concentración de sedimentos en suspensión varía con la profundidad dentro de una misma sección. Al tomar la muestra se debe registrar la velocidad del flujo, la profundidad y la descarga líquida. La velocidad generalmente se mide a 0.35 Dc por encima del lecho; Dc es el diámetro característico de la muestra. Estos muestreadores pueden ser clasificados como instantáneos o integradores. – Muestreadores instantáneos: captan un volumen de mezcla que pasa en un determinado instante por el sitio de muestreo (y en cualquier profundidad). El muestreador está provisto de válvulas que permiten la apertura o cierre instantáneos y la entrada del sedimento puede ser horizontal o vertical. – Muestreadores integradores: son más utilizados que los instantáneos; toman muestras sobre un período largo de tiempo para analizar fluctuaciones en la concentración de sedimento. Es el muestreador de mayor uso (Figura 3.4). Existen dos clases de muestreadores integradores; los que toman una muestra en un solo punto y los que la toman mientras se desplazan en la línea vertical una cierta distancia. En general, consisten de un recipiente, una boquilla, un orificio para permitir la salida de aire o una válvula de control. – El muestreador de bolsa plegable (Collapsible bag sampler) Figura 3.5, consiste en un recipiente cilíndrico perforado con abrazaderas metálicas unidas a un vástago para desplazar el muestreador en la vertical a través del flujo. Dentro del cilindro se introduce una bolsa plástica sin aire (plegada) que se llena de agua y sedimento mientras el muestreador se desplaza a una velocidad constante en toda la profundidad. El material ingresa a la bolsa a través de una boquilla (existen aperturas diferentes dependiendo de la velocidad, ancho de la corriente y profundidad del flujo) previamente seleccionada para las condiciones de flujo con el fin de que el cilindro no se llene 7
mientras se hace el barrido en cada una de las verticales (las mismas donde se mide la velocidad) de la sección de aforo. Para profundidades pequeñas (menos de 5 m) el cilindro perforado se reemplaza por un frasco plástico (cilíndrico) al que se le colocan las mismas boquillas; en este caso, las boquillas tienen un orificio para la salida de aire en la parte superior. Cuando se le coloca al cilindro perforado, el orificio se tapa antes de ingresar el muestreador a la corriente.
La velocidad de barrido (descenso y ascenso en cada velocidad) es proporcional a la velocidad del flujo, por lo que el tiempo de barrido es de t = 2h/0.2V =10h/V. El sedimento en suspensión se toma a lo largo de una vertical dada, barriéndola en un tiempo total t en el cual t/2 será para bajar el muestreador hasta el fondo y t/2 para subirlo hasta el punto de partida. El tiempo total se calcula con base en la velocidad del flujo que puede medirse a partir del dato de aforo “in situ”. La expresión dada a continuación fue utilizada para obtener el tiempo total por vertical en el cual se debía tomar una muestra de la sección analizada. PARTE II TRANSPORTE DE SEDIMENTOS T_TRANSPORTE_SEDIMENTOS(ADOBE A)
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