domingo, 7 de abril de 2013

TEMA VIII RÉGIMEN DE ESTUARIOS


TEMA VIII RÉGIMEN DE ESTUARIOS

Objetivo: Analizar el funcionamiento hidráulico de estuarios y la estabilidad de los accesos costeros.

Régimen de Estuarios.

Un estuario es un cuerpo de agua parcialmente encerrado que se forma cuando las aguas dulces provenientes de ríos y quebradas fluyen hacia el océano y se mezclan con el agua salada del mar. Los estuarios y las áreas circundantes son áreas de transición de tierra a mar y de agua dulce a salada. Aunque influenciados por las mareas, los estuarios están protegidos de las olas, vientos y tormentas marítimas por los arrecifes, islas que actúan como barreras o franjas de terreno, lodo o arena que definen la frontera del estuario.

Los estuarios se encuentran en todas las formas y tamaños y suelen llamarse; bahías, lagunas, puertos, ensenadas o canales. (Note que no todos los cuerpos de agua con estos nombres son necesariamente estuarios.
El ambiente estuarino figura entre los más productivos en la tierra, creando cada año más materia orgánica que áreas comparables en tamaño, de bosques, prados o tierras agrícolas. Dentro y fuera de los estuarios se encuentran una gran variedad de hábitats que incluyen; aguas poco profundas, pantanos de agua dulce y agua salada, playas arenosas, llanos de arena y lodo,
costas rocosas, arrecifes de ostras, bosques de mangles, deltas de ríos, lechos de algas marinas y pantanos boscosos.

La variedad de hábitats estuarinos alberga una abundante y diversa vida silvestre. Pájaros costeros y marinos, peces, cangrejos y langostas, mamíferos marinos, almejas y otros crustáceos, gusanos marinos y reptiles son algunos de los animales que viven dentro y alrededor de los estuarios.
Los estuarios son lugares donde el río se encuentra con el mar, con ecosistemas muy diferentes unos de otros.


Los estuarios son críticos para la supervivencia de muchas especies. Miles de pájaros, mamíferos, peces y otros tipos de vida silvestre dependen de los hábitats estuarinos para vivir, alimentarse y reproducirse. 

Los estuarios proveen puntos ideales para que los pájaros migratorios descansen y se reabastezcan durante sus jornadas. Muchas especies de peces y crustáceos dependen de las aguas estuarinas como lugares seguros para reproducirse, de aquí el sobrenombre dado a los estuarios de "cunas marinas". Cientos de organismos marinos, incluyendo peces de alto valor comercial, dependen de los estuarios para algún punto de su desarrollo

A parte de servir como hábitats importantes para la vida silvestre, los pantanos que bordean muchos de los estuarios también desempeñan otras funciones de alto valor. El agua drenada de tierras arriba trae sedimentos, nutrientes y otros contaminantes, según el agua fluye a través de ellos, permite que se filtren muchos de los contaminantes y sedimento.

Origen, morfología y terminología estuarina.

Actualmente se denomina al primer caso como "cuenca estuarina" y al segundo como "cuenca no-estuarina"


La desembocadura del estuario se caracteriza por la existencia de un sólo brazo con forma de embudo, constituyendo la sección del río influida por las mareas y donde se mezclan el agua dulce y salada.

Podemos dividir el estuario en tres partes, que serían:
- Estuario Bajo o externo, en libre conexión con el mar abierto donde dominan los procesos marinos.
- Estuario Medio o central, sujeto a fuertes mezclas entre agua dulce aportado por el río y el mar.
- Estuario Alto o interno, donde el agua es dulce, pero se deja influir la acción de las mareas.



Corrientes de densidad y cuña salina

Debido a diferencias de temperatura y salinidad entre dos masas de agua situadas en distintos lugares o profundidades se produce una variación de densidad. La tendencia natural es a compensar esta diferencia de densidad, por lo que una de las masas se desplaza hacia la otra a una velocidad en nudos proporcional a la diferencia de densidad. Por ejemplo, el agua de superficie puede sufrir un aumento de salinidad por evaporación. Estas corrientes no suelen ser muy intensas.




Las corrientes de densidad se han observado en distintos países, ligadas en muchos casos a tormentas.

En una corriente de densidad la separación entre el fluido más denso y el otro más ligero se mueve hacia este último, forzada por el gradiente de presiones asociadas a la diferencia de presión hidrostática entre los fluidos. La rotación de la tierra no juega un papel importante en su dinámica, a menos que sea atrapada por la orografía. La fuerza del gradiente de presión horizontal (y el gradiente de temperatura) es muy alta en la frontera. Al paso de esta frontera la presión alta y la temperatura disminuyen fuertemente.

La topografía puede causar una corriente de densidad atrapada. Si en una atmósfera estable en niveles bajos un flujo de aire aproximadamente en equilibrio geostrófico incide en una cadena montañosa, el ascenso del aire hace que la presión hidrostática en la falda de las montañas sea más alta que la del mismo nivel lejos de la montaña. Se genera pues una fuerza de gradiente de presión que hace que el aire que incide sobre las montañas pierda velocidad.


 DINÁMICA DE LA
CUÑA SALINA

Factores que afectan a la dinámica de la cuña salina

Se considera que las características de un estuario y su grado de estratificación están determinados por dos factores fundamentales: la descarga de agua dulce, que tiende a mantener la estratificación frente al agua salina que penetra en el curso inferior del río, y la marea, que tiende a producir mezclado turbulento y por consiguiente a reducir la estratificación. La preponderancia de uno de estos factores frente al otro definirá el tipo de estuario y el nivel de mezcla y estratificación existentes en el mismo.




Por consiguiente, la localización y dinámica de la cuña salina en el tramo estuarino del río Ebro está controlada fundamentalmente por el caudal, aunque como se verá a continuación, la morfología del cauce del río juega también un papel determinante en la posición y dinámica de la cuña salina. Además, hay otros factores como son las variaciones del nivel del mar (especialmente mareas meteorológicas) y otros factores meteorológicos que, si bien juegan un rol de menor importancia, también intervienen en este proceso. 


TEMA VII: SOCAVACIÓN Y ENCAUZAMIENTO


TEMA VII: SOCAVACIÓN Y ENCAUZAMIENTO

Objetivo: Evaluar los diferentes tipos de socavación que se producen en cauces y pérdidas de suelo en cuencas.

TIPOS DE SOCAVACIÓN

A. Socavación normal o general: Se entiende por socavación general el descenso del fondo de un río que se produce al presentarse una creciente y es debida al aumento de la capacidad de arrastre de material sólido que en ese momento adquiere la corriente, en virtud de su mayor velocidad.
La erosión del fondo de un cauce definido por el cual discurre una corriente es una cuestión de equilibrio entre el aporte sólido que pueda traer el agua a una cierta sección y el material que sea removido por el agua de esa sección y al aumentar la velocidad del agua, aumenta también la capacidad de arrastre.

B. Socavación en estrechamientos: Se entiende por socavación en estrechamientos la que se produce por el aumento en la capacidad de arrastre de sólidos que adquiere una corriente cuando su velocidad aumenta por efecto de una reducción de área hidráulica en su cauce. El efecto es muy importante en puentes, donde por lo común y por razones de economía suelen ocurrir las mencionadas reducciones, si bien puede presentarse en otros lugares del curso del río, en que un estrechamiento más o menos brusco tenga lugar.

C. Socavación en curvas: Cuando un río describe una curva existe una tendencia en los filetes líquidos situados más lejos del centro de curvatura a caminar más aprisa que los situados más hacia el interior; como consecuencia, la capacidad de arrastre de sólidos de los primeros es mayor que la de los segundos y la profundidad de erosión es mayor en la parte del cauce exterior a la curva que en la interior. El efecto es importante y ha de ser tenido en cuenta en la construcción de puentes en curvas de río o en el diseño de enrocamientos de protección en los mismos lugares pues al disminuir la velocidad la curva aumenta el depósito en esta zona y, por ello, disminuye la zona útil para el flujo del agua y al aumentar la profundidad y el área hidráulica, aumenta el gasto.

D. Socavación local en estribos: Desde el punto de vista de definición, la socavación local en estribos es análoga a la que se presenta en las pilas de los puentes, sin embargo, se le distingue por existir algunas diferencias en los métodos teóricos y aun experimentales para su evaluación.

E. Socavación local en pilas: Cuando se coloca una pila de puente en la corriente de un río se produce un cambio en las condiciones hidráulicas de ésta, y, por lo tanto, en su capacidad para producir arrastre sólido. Si la capacidad de arrastre supera localmente el aporte del gasto sólido del río, ocurrirá en la pila una socavación local.

Es evidente que el conocimiento de la profundidad a que puede llegar este efecto erosivo es de fundamental 
importancia en el diseño de cimentaciones poco profundas para puentes, pues una falla seria de juicio en esta cuestión conlleva la destrucción total de la estructura o la adopción de profundidades antieconómicas y excesivas, que complican seriamente los procedimientos de construcción.
Los estudios realizados hasta la fecha permiten decidir que los parámetros que, en mayor o menor grado, influyen en la socavación local al pie de pilas de puente son los que se mencionan a continuación:

1.           Parámetros Hidráulicos:
a.          Velocidad media de la corriente
b.          Tirante frente a la pila
c.          Distribución de velocidades
d.          Dirección de la corriente respecto al eje de la pila

2.          Parámetros de Fondo:
a.          Diámetro de los granos
b.          Distribución granulométrica del material del fondo
c.          Forma de los granos
d.          Grado de cohesión o cementación
e.          Peso específico sumergido
f.          Estratificación del subsuelo

3.          Parámetros Geométricos:
a.          Ancho
b.          Relación largo-ancho
c.          Perfil de la sección horizontal

4.          Parámetros de ubicación del puente:
a.          Contracción en la sección
b.          Forma del río en planta
c.          Obras de control de gasto que se haya construido aguas arriba o aguas abajo.




Dinámica de los cauces.

La dinámica de los cauces depende de su caracterización hidráulica, la cual se basa en los siguientes aspectos:

·                     Geometría del cauce.
·                     Régimen de flujo.
·                     Viscosidad del agua.
·                     Capacidad de transporte de sedimentos.
·                     Posibilidad de desbordamientos.

La geometría del cauce está representada por la pendiente longitudinal y por las características de la sección transversal.

Pendiente longitudinal.

En cauces naturales la pendiente longitudinal se mide a lo largo de la línea del agua, debido a que el fondo no es una buena referencia, tanto por su inestabilidad como por sus irregularidades. La pendiente de la línea del agua varía con la magnitud del caudal, y esa variación es importante cuando se presentan cambios grandes del caudal en tiempos cortos, por ejemplo al paso de crecientes.

En los períodos que tienen un caudal más o menos estable es posible relacionar las pendientes con los caudales utilizando registros de aforos.
Sección transversal.

En los cauces naturales las secciones transversales son irregulares y la medición de sus características geométricas se realiza con levantamientos batimétricos.





TEMA VI: TRANSPORTE DE SEDIMENTOS


TEMA VI: TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

Objetivo: Cuantificar el gasto sólido en un cauce en sus diferentes formas.


El cálculo de la pérdida de suelo a partir de la medida del movimiento de los sedimentos en las corrientes y los ríos tropieza con varios problemas. La realización de las mediciones lleva tiempo y resulta cara; su precisión puede ser baja; incluso si se dispone de datos correctos sobre el movimiento de una corriente no se sabe de dónde procede el suelo y cuándo se produjo el movimiento.
El movimiento de los sedimentos en las corrientes y ríos presenta dos formas. Los sedimentos en suspensión están constituidos por las partículas más finas mantenidas en suspensión por los remolinos de la corriente y sólo se asientan cuando la velocidad de la corriente disminuye, o cuando el lecho se hace más liso o la corriente descarga en un pozo o lago. Las partículas sólidas de mayor tamaño son arrastradas a lo largo del lecho de la corriente y se designan con el nombre de arrastre de fondo.

Existe un tipo intermedio de movimiento en el que las partículas se mueven aguas abajo dando rebotes o saltos, a veces tocando el fondo y a veces avanzando en suspensión hasta que vuelven a caer al fondo. A este movimiento se le denomina saltación y es una parte muy importante del proceso de transporte por el viento; en la corriente líquida la altura de los saltos es tan reducida que no se distinguen realmente del arrastre de fondo.


FIGURA 1 - Velocidad, concentración de los sedimentos y descarga de sedimentos en las corrientes

VELOCIDAD



CONCENTRACIÓN DE SEDIMENTOS



DESCARGA DE SEDIMENTOS


Existen varias causas posibles de error cuando se intenta de establecer una relación entre la cantidad del sedimento medido en las corrientes y la extensión de la erosión dentro de la cuenca hidrográfica.


En primer lugar, pueden existir cantidades importantes del material erosionado que no contribuyen al sedimento en la corriente debido a que se deposita antes de que llegue a ellas. La proporción de sedimento que llega a la corriente en comparación con el movimiento bruto de los sedimentos dentro de la cuenca se denomina relación de distribución. 

Una segunda causa posible de error es el factor tiempo. En una cuenca mayor el sedimento puede erosionarse y depositarse y sucesivamente volverse a erosionar y volverse a depositar cierto número de veces antes de que el sedimento llegue a la corriente. Una muestra de este sedimento podría incluir material erosionado en su origen varios años antes.

La tercera dificultad radica en que el sedimento de la corriente incluye materiales que proceden de diferentes fuentes con relaciones de distribución muy distintas. El sedimento procedente del derrumbe de las orillas de las zanjas o de las riberas de los ríos pasa inmediatamente al caudal de la corriente, mientras que la pérdida de suelo de una pequeña superficie cultivada y dentro de una cuenca en la que predominan los bosques podría tener tasas de erosión local elevadas, pero contribuir poco a la carga total de sedimentos.





Toma continua de muestras

Los modelos de caudales que aumentan y disminuyen y las variaciones de la concentración de sedimentos en diferentes caudales, pueden en cierta medida preverse a partir de observaciones; pero los muestreadores automáticos más perfeccionados no pueden predecir lo que va a suceder a continuación. Un muestreador por bombeo automático puede actuar exactamente como está programado y tomar la serie de muestras necesaria cuando el caudal aumenta y disminuye; si en ese momento se produce una violenta tempestad en la cuenca hidrográfica que origina un caudal aún mayor, no podrán tomarse muestras porque los recipientes ya están llenos. La única forma de evitar que esto suceda consiste en disponer de un sistema de medición continua de las concentraciones de sedimentos, para lo que existen dos métodos.

Cálculo del arrastre de fondo

Mediciones directas
Muestreador
Trazadores radioactivos
Estimación empírica

Mediciones directas

La forma más sencilla de calcular el arrastre de fondo consiste en cavar un agujero en el lecho de la corriente como en la Figura 45 y en retirar y pesar el material que cae en él. La cuenca aguas arriba de un vertedero o canal de aforo puede actuar análogamente como una trampa de sedimentos, pero es posible que no se sepa si se ha recogido todo el arrastre de fondo. En los lugares con grandes cargas de arrastre, este procedimiento puede necesitar mucho tiempo y resultar engorroso.

Muestreador

El cálculo del arrastre de fondo se puede efectuar a partir de muestras recogidas por un dispositivo que está situado por debajo del lecho de la corriente durante un tiempo determinado y que luego son extraídas para pesarlas. Se han utilizado numerosos dispositivos y su variedad demuestra la dificultad que existe para tomar una muestra exacta y representativa. 

Los problemas que plantean los muestreadores del arrastre de fondo son:

·El muestreador perturba la corriente y modifica las condiciones hidráulicas en su punto de entrada.

· El muestreador tiene que descansar en el lecho de la corriente y tiende a hundirse en él al producirse una socavación en torno suyo.

· Para mantenerse estable en el fondo tiene que ser pesado, lo que dificulta su uso cuando se lo baja desde puentes o desde torres construidas con ese fin.

· Un muestreador tiene que reposar sobre un lecho razonablemente liso y no estar apoyado encima de piedras o cantos rodados.

 Trampa de arrastre de fondo


Muestreador de arrastre de fondo

La forma más sencilla es una cesta de alambre con una aleta estabilizadora como se ilustra en la El material que toma este modelo es reducido porque interfiere con la corriente y cierta cantidad de materia cada vez mayor a medida que la cesta se llena, se desvía en torno al muestreador. Esto se puede describir diciendo que la contrapresión reduce la corriente en el muestreador, lo cual transmite una imagen clara sin entrar a analizar la mecánica de la corriente fluida.


 Trazadores radioactivos

En varios estudios se hace referencia al empleo de indicadores radioactivos para vigilar el movimiento del arrastre de fondo. La técnica consiste en insertar en la corriente un trazador radioactivo en una forma similar al arrastre de fondo, es decir, que debe tener la misma forma, dimensión y peso que el sedimento natural. El movimiento aguas abajo puede así vigilarse utilizando detectores portátiles. Otra solución consiste en aplicar el trazador a la superficie de un sedimento que se produce de manera natural, o incorporarlo a materias artificiales que se pueden radioactivar por medio de irradiaciones (Tazioli 1981).

CUADRO 10 - Clasificación de Maddock para calcular el arrastre de fondo (Maddock 1975) 

Concentración del sedimento en suspensión (partes por millón)
Material del lecho del río
Textura de los elementos en suspensión
Descarga del arrastre de fondo expresada como % de la descarga de los sedimentos en suspensión
menos de 1000
arena
similar al lecho del río
25-150
menos de 1000
grava, rocas, arcilla dura
bajo contenido de arena
5-12
1000 - 7500
arena
similar al lecho del río
10-35
1000-7500
grava, rocas, arcilla dura
25% de arena o menos
5-12
más de 7500
arena
similar al lecho del río
5-15
más de 7500
grava, rocas, arcilla dura
25% de arena o menos
2-8

Estimación empírica

La dificultad de obtener mediciones confiables del arrastre de fondo ha dado motivo a algunos intentos de calcularlo a partir de parámetros más fácilmente medibles; sin embargo, su uso no está difundido. Un método sencillo basado en el conocimiento de la concentración de los sedimentos en suspensión, de la textura de la materia en suspensión y de la materia del fondo se indica en el Cuadro 10. Einstein (1950) elaboró un método complicado que posteriormente se ha modificado y mejorado. Existen muchas otras fórmulas teóricas y su precisión y confiabilidad son discutibles.

Estimación de la carga total

Un método para evitar cálculos separados de la carga de suspensión y del arrastre de fondo consiste en mezclar todo el sedimento en movimiento y tomar una única muestra de la mezcla. Un canal de medición de la turbulencia es una estructura construida ex profeso con obstrucciones en el lecho de la corriente para crear la máxima turbulencia posible antes de que la corriente pase a través de un vertedero donde se toman muestras. El mismo efecto se puede conseguir con un muro de rocas en el lecho de la corriente o cuando el caudal pasa a través de una apertura reducida como un puente o una alcantarilla. El material arrastrado de mayor tamaño se asentará en el lecho rápidamente por lo que la muestra se debe tomar sin demora con un recipiente que se llena con la mezcla.





TEMA V: PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS EN UN CAUCE


TEMA V: PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS EN UN CAUCE

Objetivo: Analizar las principales propiedades del binomio agua-suelo, que permitan estudiar los problemas fundamentales de la hidráulica fluvial.

SEDIMENTOS:
Reciben este nombre las partículas procedentes de las rocas o suelos y que son acarreadas por las aguas de los escurrimientos y por el viento.

 Las fuentes de los sedimentos pueden clasificarse en naturales y artificiales.

NATURALES:
• Erosión de la superficie de la tierra: Debida a la acción del viento (transporte eólico) y la lluvia (transporte por escurrimiento superficial).
•Erosión del cauce principal y sus tributarios: Provocada por la potencia erosiva del flujo, lo que ocasiona cambios en su perfil longitudinal, sección transversal y en su forma en planta. Siendo el material arrastrado aguas abajo donde podría depositarse o bien seguir su recorrido hacia los cuerpos de agua o al mar.

ARTIFICIALES:
• Destrucción de la vegetación: la deforestación de bosques originada por el hombre, con fines de cultivo, para desarrollo urbano o industrial.
• Obras de ingeniería: Construcción de caminos, vías férreas y presas entre otras, originan que grandes volúmenes de material sean removidos y queden más sueltos que en su estado original.


La superficie de la tierra es atacada principalmente por dos agentes, el aire y el  agua. Dichos agentes son el detonante de los diversos procesos físicos y químicos que destruyen y transforman las rocas. Cuando esto ocurre se dice que la roca ha quedado intemperizada.