Procesos Fluviales - Universidad del Cauca

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PARTE III. PROCESOS FLUVIALES
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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.
UNIVERSIDAD DEL CAUCA
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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.
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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).
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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:
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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.
17
- 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.
18
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
19
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.
1. Determinación de las
características del cauce
20
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.
Estudio del
historial de
PARTE III. 1.
PROCESOS
FLUVIALES
crecientes y comportamiento
hidrológico
21
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.
22
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.
23
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).
24
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.
25
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.
−
26
+
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.
27
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
28
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:
29
−
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:
τ=
γn 2 V 2
R 1/ 3
30
.................................................................................................................. 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
31
Ds
Figura 7.9. Desarrollo del acorazamiento del cauce.
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.
Dc = diámetro de la partícula de sedimento para la condición crítica
[m]
32
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]
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.
33
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
Ds
L
Sex
Seq
34
= 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.,
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
35
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
36
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.
37
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
38
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
39
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
..
Hs
hm
ε
ra
B
40
= 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
41
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.,
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
42
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
Evaluación preliminar de sitios críticos considerando todos los procesos
43
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
44
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
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
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.
45
∆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.
• 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
46
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).
47
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).
48
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
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.
(ii)
49
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.
•
50
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.
51
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.
52
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).
53
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
54
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
55
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
56
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
1.
Dargahi, B. (1990). “Controling Mechanism of Local Scour”. Journal of Hydraulic
Engineering. ASCE. Vol. 116. N° 10. October. pp 1197-1213.
2.
Higuera, C. Pérez, G. (1989). “Socavación en Puentes.
rehabilitación”. Tesis de Maestría. Universidad del Cauca.
3.
Gracia S., J. Y Maza A., J. A. (1997). Morfología de Ríos. Instituto de Ingeniería UNAM.
México.
Guevara, M. E. (2003). “Socavación en Puentes”. Universidad del Cauca.
4.
5.
Análisis, prevención y
Hydrologic Engineering CenteR. HEC-RAS (Version 3.1). River Analysis System,
User’s Manual, U.S. Army Corps of Engineers, Davis, CA. Flood Plain Management
57
Program, Handbook for Public Officials. Department of the Army, State of California.
Written by Mr. Gary W Brunner. September 1998. Approved for Public release.
Distribution Unlimited.
6.
Hydrologic Engineering Center. HEC-RAS (Version 3.1), River Analysis System,
Hydraulic Technical Reference Manual, U.S. Army Corps of Engineers, Davis, CA.
2002. Approved for Public release. Distribution Unlimited.
7.
Hydrologic Engineering Center, HEC-RAS (Version 3.1), Rivers Analysis System,
Applications Manual, U.S. Army Corps of Engineers, Davis, CA. 2002. Approved for
Public release. Distribution Unlimited.
8.
Instituto Colombiano de Geología y Minería – INGEOMINAS – Corporación Autónoma
Regional del Valle del Cauca - CVC - Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.
Evaluación del Riesgo por Fenómenos de Remoción en Masa. Editorial Escuela
Colombiana de Ingeniería. Primera edición. Bogotá. Julio de 2001.
9.
Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. (2001) Stream Stability at Highway
Structures, Hydraulic Engineering Circular N° 20. U. S. Department of Transportation.
Federal Highway Administration. Third Edition. Virginia. USA.
10. Leopold, L. B., Wolman, M. G. and MILLER, J. P., “Fluvial Processes in
Geomorphology”, Dover Publications, Inc., Mineola, NY, 1995.
11. Martín V., J. P., Ingeniería Fluvial. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. Bogotá.
1997.
12. Maza Alvarez J. A. Notas del Curso sobre Hidráulica Fluvial. Universidad del Cauca.
Popayán, Colombia. 1989.
13. Melville, B. W. (1983). “Live-bed Scour at Bridge Piers”. Journal of Hydraulic
Engineering. ASCE. Vol. 110. N° 9. September. pp 1234-1247.
14. Melville, B. W. (1992). “Local Scour at Bridge Abutments”. Journal of Hydraulic
Engineering. ASCE. Vol. 118. N° 4. April. pp 615-631.
15. Melville, B. W. and Dongol D. M. (1992). “Bridge Pier Scour with Debris
Accumulation”. Journal of Hydraulic Engineering. ASCE. Vol. 118. N° 9. September. pp
1306-1310.
16. Melville, B. W. (1992). Discussion “ Study of Time Dependent Local Scour around
Bridge Piers”. Journal of Hydraulic Engineering. ASCE. Vol. 118. N° 11. November. pp
1593-1595.
17. Ministerio de Obras Públicas y Transportes. MOPT (1988). Control de la Erosión Fluvial
en Puentes. Segunda edición.
18. PMC-CVC Caracterización del Río Cauca Capítulo 4 Geología y Geomorfología, 1998.
19. Posada, J. (1998) “Determinación del coeficiente de rugosidad en canales naturales” .
Trabajo dirigido de grado. Universidad Nacional de Colombia. Medellín: [s.n].
20. Posada, L. (1994) “Transporte de Sedimentos”. Posgrado en Aprovechamiento de los
Recursos Hidráulicos. Universidad Nacional de Colombia. Medellín: [s.n].
58
21. Raudkivi, A. J. (1986). “Functional Trends of Scour at Bridge Piers”. Journal of
Hydraulic Engineering. ASCE. Vol. 112. N° 1. January. pp 1-13.
22. Richardson E. V., Simons D. B. y Julien P. Y. (1990). “Highways in the River
Environment”. U. S. Department of Transportation. Federal Highway Administration.
23. Richardson, E. V., Davis S. R. (2001). Evaluating Scour at Bridges, Hydraulic
Engineering Circular N° 18. U. S. Department of Transportation. Federal Highway
Administration. Fourth Edition. Virginia. USA.
24. Suárez V., L. M. (1993). Presas de corrección de torrentes y retención de sedimentos.
Ministerio del Ambiente y de los Recursos Naturales Renovables. Venezuela.
25. Stevens, M. A., Gasser M. M., y A. M. S. Mohamed. (1991). “Wake Vortex Scour at
Bridge Piers”. Journal of Hydraulic Engineering. ASCE. Vol. 117. N° 7. July. pp 891903.
26. Universidad del Cauca, Corporación Autónoma Regional del Cauca - CRC – Instituto
Colombiano de Geología y Minería – INGEOMINAS, (2005). Estudio preliminar del
comportamiento hidráulico, geomorfológico y procesos fluviales en los ríos Desbaratado,
Palo, Paila y Guengue. Convenio 867 de 2004.
27. Universidad del Cauca, (2003). Memorias del curso-taller sobre Obras de Control Fluvial.
28. Winkley, 1987. Obras de control Fluvial. Universidad de los Andes. Colombia.

Procesos Fluviales - Universidad del Cauca

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