EVALUACIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS … · erosionable Flujos torrenciales ... a coeficiente de forma (sección transversal del canal) K s rugosid d i l t d l d d Nik didad equivalente

EVALUACIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN REGIONES SEMIÁRIDAS

Luis G. Castillo E.1 Mª Dolores Marín Martín1

Línea prioritaria A. Criterios hidromorfológicos para la recuperación de espacios fluviales degradados

(1) Grupo de I+D+i Hidr@m. Departamento de Ingeniería Térmica y Fluidos. Universidad Politécnica de Cartagena.

Escuela de Ingeniería Civil, Paseo Alfonso XIII, 52, 30203, Cartagena. e‐mail: [email protected], [email protected]

En regiones de morfología abrupta y régimen irregular de precipitaciones, las crecidas suelen presentarse llevando una gran cantidad de transporte de sedimentos. El cambio climático incidirá en que los flujos torrenciales e hiperconcentrados sean cada vez más acusados, lo que obligará a controlarlos para minimizar sus efectos destructivos. Con el fin de poder diseñar sistemas efectivos de control y captación de flujos en regiones semiáridas será necesario, como primer paso, calcular la capacidad de transporte de sedimentos. De acuerdo a los análisis presentados para el caso del barranco de las Angustias (Isla de la Palma) y partiendo de la gran similitud con las cuencas semiáridas de la Región de Murcia, uno de los objetivos del trabajo que el grupo Hidr@m está llevando a cabo es aplicar y contrastar dicha metodología, con el fin de establecer criterios generales de cálculo en estas regiones. Se presentará un avance de los resultados obtenidos en la evaluación del transporte de sedimentos realizado en la Rambla del Mergajón (subcuenca de la Rambla del Albujón sita en el Campo de Cartagena, Murcia), empleando la metodología antes citada. La cuenca del Mergajón ha sido seleccionada por la semejanza que presenta con el barranco de las Angustias, tanto en sus características geomorfológicas, hidrológica e hidráulica. Del análisis de los resultados obtenidos se concluye que:

- Las formulaciones que mejores resultado nos ofrecen son las de Einstein-Barbarrosa, 1952, Yang, C. T., 1976 y Yang, S. (K=6), 2005.

- Los resultados obtenidos con Smart y Jaeggi (D65), 1983 y Mizuyama y Shimohigashi, 1985, se sitúan por encima del valor medio y dentro de una desviación estándar. Los resultados de Aguirre et al. (D50), 2000, Van Rijn, 1987, Aguirre et al. (Dm), 2000, Ackers White, 1980 y Meyer- Peter y Müller, 1948, caen por debajo de la media y dentro de una desviación estándar.

- El volumen de transporte de sedimentos total que se obtiene en la rambla del Mergajón es inferior que al obtenido en el barranco de las Angustias, siendo el transporte de fondo muy inferior al de fondo en suspensión. También la proporción entre el transporte de fondo y fondo en suspensión resulta invertido en las dos cuencas, debido fundamentalmente a la diferente distribución granulométrica y además, porque los diámetros característicos en la rambla del Mergajón son más pequeños que en el barranco de las Angustias.

Grupo I+D+i en Ing. Hidráulica, Marítima y Medio Ambiental

Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT)Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT)

EVALUACIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS ENEVALUACIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN REGIONES SEMIÁRIDAS

Luis G. Castillo ElsitdiéMª Dolores Marín Martín


Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT)

MetodologíaIntroducción Aplicación a cuenca mediterránea ConclusionesResultados y

análisis


Efecto directoCambio climático Frecuencia e intensidad de precitaciones

++Zonas semiáridas Cobertura vegetal reducida-

erosionable

Flujos torrenciales con gran transporte de sedimentos cada vez más frecuentes en zonas semiáridasvez más frecuentes en zonas semiáridas

¿Porqué el control de estos

Minimizar efectos destructivoscontrol de estos

flujos? Captar caudales incrementando disponibilidad del recurso

¿cómo captar flujos torrenciales?¿cómo captar flujos torrenciales?

Sistemas presa-embalse



Aplicación a cuenca mediterránea ConclusionesMetodologíaIntroducción Resultados y

análisis


Cálculo de la capacidad del transporte de sedimentos en flujos

Para el diseño sistemas de captación se necesita

Cálculo de la capacidad del transporte de sedimentos en flujos hiperconcentrados

Formulaciones de estimación de coeficientes de resistencia

Formulaciones para el cálculo del transporte de sedimentosdel transporte de sedimentos

Limites de aplicación

Determinación del caudal dominante

Metodología Barranco deMetodología Barranco de las Angustias(Castillo 2000) Validez

Zonas semiáridas



FORMULACIÓN COEFICIENTE DE RESISTENCIAFORMULACIÓN COEFICIENTE DE RESISTENCIAAplicación a cuenca

mediterránea ConclusionesMetodologíaIntroducción Resultados y análisis


FORMULACIÓN COEFICIENTE DE RESISTENCIAFORMULACIÓN COEFICIENTE DE RESISTENCIA

• Keulegan (1938)

Diversas formulaciones en flujos macrorrugosos basadas en:

RU 3026221

8 Keulegan (1938)• Prandtl-Von Kárman

sK

Ra

fUC

Ulog

3026.28*

*

C* es el coeficiente adimensional de ChézyyU velocidad media del flujoU* velocidad asociada al esfuerzo cortante 0* U 0 esfuerzo cortante

medio 00 RS f factor de fricción de Darcy-Weisbachf factor de fricción de Darcy-Weisbach constante de Von Kármán en agua limpia (≅0.407)a coeficiente de forma (sección transversal del canal)K id d i l t d l d d Nik dKs rugosidad equivalente de los granos de arena de Nikuradse

En ríos rectos y material grueso:RRU

3026.2

218*

aA log6755

nA

sKa

fUC

nD

log657.5log*

n

nA

log675.5

n rugosidad relativa equivalente; Dn= Diámetro nominalnns DK




mediterránea ConclusionesMetodologíaIntroducción Resultados y análisis



Formulaciones utilizadas para el cálculo de la resistencia al flujo en o u ac o es u adas pa a e cá cu o de a es s e c a a ujo ecauces rugosos de pendiente fuerte




mediterránea ConclusionesMetodologíaIntroducción Resultados y análisisAUTOR FÓRMULA OBSERVACIONES

Limerinos (1970) 55.68

84/90.0;281.3

84/log657.5* DRDRC 6/11129.0 R



Formulaciones utilizadas para el cálculo de la resistencia al flujo en

(1970) 177

50/90.1;990.0

50/log657.5*

8484g

DRDRC 160.1)84/log(2

DR

n

R= Radio hidráulico total

Bathurst 50/30;4/log625* DRDdC %40%4.0 So u ac o es u adas pa a e cá cu o de a es s e c a a ujo ecauces rugosos de pendiente fuerte

(1985) 5084

/3.0;484

/log62.5 DRDdC %40%4.0 S

d= calado del flujo

Fuentes y Aguirre (1991)

)50

//(1737.0333.150

/log657.5* DdDdC %55.60%001.0 S

(1991) 77

50/3.0 Dd

García Flores (1996)

Régimen Supercrítico:

100/300;6983/log7565* DdDdC 28491)/log(2

6/1111.0

Dd

dn

20050

/6.0;559.150

/log756.5*

10084

/30.0;698.384

/log756.5

Db

RDb

RC

DdDdC

Régimen Subcrítico:

*

2849.1)84

/log(2 Dd

Rb= Radio hidráulico del fondo

6/11110 d 200

50/6.0;2425.0

50/log756.5*

10084

/30.0;2794.284

/log756.5*

Db

RDb

RC

DdDdC 7919.0)

84/log(2

111.0

Dd

dn

Van Rijn * Rf= radio hidráulico de fondoVan Rijn (1987) )903/12log(75.5* DfRC

Rf radio hidráulico de fondo

Jarret (1984) mRmSRSn 1.215.0%;4.0%2.0;16.0)28.3/(38.039.0

S= pendiente de fricción;

R= radio hidráulico



Aplicación a cuenca mediterránea ConclusionesMetodologíaIntroducción

FORMULACIÓN TRANSPORTE DE SEDIMENTOSFORMULACIÓN TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

Resultados y análisis


Investigaciones sin obtener una ecuación satisfactoria: complejidad del problema


complejidad del problema efecto formas del lecho en el transporte de fondo naturaleza estocástica del problema dificultad de verificar las investigaciones de laboratorio en prototipo

Avances sustanciales, con expresiones que correlacionan:Parámetro de transporte

qs qs transporte total de fondo (m3/sm)

Parámetro de transporte de sedimentos ()

gΔD 23

=(s-)/=1.65, s densidad específica del sedimentoD tamaño característico del sedimento (m)U* velocidad de corte (m/s)Parámetro de flujo ()

gDU

rdF

2*12

U velocidad de corte (m/s)S0 pendiente longitudinal del fondo. Frd Número de Froude Densimétrico





análisis


FORMULACIÓN TRANSPORTE DE SEDIMENTOSFORMULACIÓN TRANSPORTE DE SEDIMENTOSAUTOR FÓRMULA OBSERVACIONES Colby (1984)

mmDmmUBTmíngUBTg 1501.046.0;13.1max326.3326.3

U=velocidad media del flujo

BTg =Transporte unitario total de fondo en peso (kg/ms) Meyer- Peter y Müller (1948) D

rK

sBTgsmDsIsR

rK

sK ;6/1

90/26;3/2/3/13/225.0047.02/3)/( BTg =Transporte unitario total de fondo en peso (T/ms)

B= ancho (m)

parednwKnmKdmKdBwK

wKmKBsK

rrs

/1;/1;3/2}22/3

)2(2/3{

3/290

B= ancho (m)d= calado (m)

Ackers-White (1990) m

cFFn

UUUKDsBTg )1

**()

*(35

El método se aplica si: 1* D y 8* F

3/1)2/(35*;1)}/10log(32/){/*

(*

67.1)*/83.6(;14.0)*/23.0(*;*log56.01

}967.72)*

(426.0)*

(79.2exp{:60*

1:Si

gDDnDdUDgnUF

DmDc

FDn

LnDDLnKD

;025.0;17.0*;78.1;0;60*Si KcFmnD

3si35

5,0

16

84

gDD

D

Dg

3si60

35

gDD

g

Engelund y Hansen (1967) 2/1)50(

23*205.0

g

DU

sBTg Siempre que: 1250*

*Re vDU

; 2;15.050

g

mmD

Bathurst et al. (1987) cqqDgDS ])2/1)50(50)1/[(2/35.2( Siendo S di t cqqgS ]))50(50)[((

Con D50: ;12.115.02/350

2/1* S

Dgcq

cq D16: 12.121.02/3

162/1

* SDgcq

cq

S= pendiente;q= caudal unitario de agua qc= caudal crítico peso específico aparente adimensional

Van Rijn (1987) 1.2

1*2*

2

30*

053.0

rdF

; 31

2*;

3

12log75.5*

gDD

D

fRC

Frd= número de Froude Densimétrico de partículas; cesfuerzo

cortante crítico adimensional; C*= coeficiente de Chézy; Rf= radio hidráulico del fondo23.0* cCD 2

903 D

(1)





análisis


FORMULACIÓN TRANSPORTE DE SEDIMENTOSFORMULACIÓN TRANSPORTE DE SEDIMENTOSAUTOR FÓRMULA OBSERVACIONES

Yang (1976) Transporte de arenas:

)}/()/*

(297.0)/(1563.078.1

)/*(297.0)/(153.08929.11exp{001.0

wSULnwULnm

DwLn

wULnmDwLndUBT

g

6605.2

70*2.1Si

cU

v

DU

Transporte de gravas:

)}//()/*

(1228.0)/(1327.0784.2

)/*(816.4)/(633.03836.15exp{001.0

wSc

UwSULnwULnm

DwLn

wULnmDwLndUBT

g

66.0)06.0/*log(

vDUw

05.2;*70Si wc

U

v

DU

Einstein y Barbarrosa (1952) ;

213* BSgBgBTgiDgsBiBigBi

dEP

)

2.30log(303.2

}211{};21{ IIEPBigBiBTigBTiIIEPBigBiBSigSi

)/65(),/(;2)(*;1

DfYXDfxYn

i BTigBTiiBTg

025.16.10log;8.1/39.1;8.1/77.0 siXsiX

)*/(;2;/);/();/6.10log( UKwziDadaERiDXx

Edy

Z

y

yZE

ZEI

Edyy

Z

y

yZ

E

ZE

I

1 1

)1(

1216.01

1)ln(

1

)1(

1

216.02

)()()g( iix

Nota: Integrales se calculan por medio de ábacos. Para una descripción completa ver Simons and Sentürk (1992) y Graf (1984). IRgUsKfDsKsK

);/(;65;

Mizuyama y Shimohigashi (1985)

350

2

2

20Dg

qS

S= pendiente; q= caudal unitario de agua; peso específico aparente adimensional

Aguirre Pe et al (2000) 62/1 F d=Froude Densimétrico de partículas; S=pendiente;Aguirre-Pe et al. (2000)

4*

62/15.1

C

rdFS ; )tan(tancos/2

mgDUrdF ;

bfC

8* Frd=Froude Densimétrico de partículas; S=pendiente;C*=coeficiente adimensional de Chézy; U=velocidad media de flujo; Dm= diámetro promedio; ángulo inclinación longitudinal de lecho;ángulo fricción interna partículas; fb= factor fricción Darcy-Weisbach para radio hidráulico de fondo.

Yang S. (2005) cuu

Vhosk

Vhtg

C

2*

2*

; k = constante universal=12.5 C=concentración sedimento total de fondo; tg =transporte total de fondo en peso; h=radio hidráulico o calado; V=velocidad media;

ió d f d d diá di l id d

(2)

wVhsVh 2

*´ cu =velocidad de corte debido a grano; 2*cu =velocidad crítica de de Shields

tensión de corte en fondo, d=diámetro sedimento; w=velocidad sedimentación partícula; γs=peso específico sedimento; γ=peso específico agua



Aplicación a cuenca mediterráneaMetodologíaIntroducción Conclusiones

BARRANCO DE LAS ANGUSTIAS RAMBLA DEL ALBUJÓN



BARRANCO DE LAS ANGUSTIAS RAMBLA DEL ALBUJÓN

Área R. Mergajón =52 km2

Pendiente S=0.033Diámetro D50=3.458 mm

Área Caldera de Taburiente =56 km2

Pendiente S=0.0392Diámetro D50=28 mm 50

Diámetro D85=14.710 mm50

Diámetro D85=870 mm




BARRANCO DE LAS ANGUSTIAS RAMBLA DEL ALBUJÓNP i it i á i di i



BARRANCO DE LAS ANGUSTIAS RAMBLA DEL ALBUJÓNPrecipitaciones máximas diarias

257

344370

257281300

350

400

Pd (mm)

ANGUSTIAS

MERGAJÓN

101

166195

257

92118

176201

257

100

150

200

250

0

50

1.4 5 10 50 500 1000Periodo de retorno (años)

Caudales líquidos

762

836

701.4

786.2

700

800

900

ANGUSTIAS

MERGAJÓN




Pendiente S=0.0392Diámetro D50=28 mm

277

350

519

229

422

300

400

500

600

Ql (

m3 /s

)

50


Diámetro D85=870 mm121

21.4

147.5

0

100

200





BARRANCO DE LAS ANGUSTIAS RAMBLA DEL ALBUJÓNP i it i á i di i



BARRANCO DE LAS ANGUSTIAS RAMBLA DEL ALBUJÓNPrecipitaciones máximas diarias

257

344370

257281300

350

400

Pd (mm)

ANGUSTIAS

MERGAJÓN90

100

Curva compuesta-Mergajón

Granulometria las Angustias

101

166195

257

92118

176201

257

100

150

200

250

50

60

70

80as

a

0

50


20

30

40

50

% P

Caudales líquidos

762

836

701.4

786.2

700

800

900

ANGUSTIAS

MERGAJÓN

0

10

0

0.010.101.0010.00100.001000.00

Tamaño Partículas (mm)




Pendiente S=0.0392Diámetro D50=28 mm

277

350

519

229

422

300

400

500

600

Ql (

m3 /s

)

50


Diámetro D85=870 mm121

21.4

147.5

0

100

200




Aplicación a cuenca mediterráneaMetodologíaIntroducción ConclusionesResultados y

análisis


25

30Patrón de LINDE modificado

15

20

Discretización temporal 15’

5

10

0

0:15

1:15

2:15

3:15

4:15

5:15

6:15

7:15

8:15

9:15

10:1

511

:15

12:1

513

:15

14:1

515

:15

16:1

517

:15

18:1

519

:15

20:1

521

:15

22:1

523

:15

80% precipitación en 6 horas20 % restante distribuidas en 18 h

Datos de partida para el cálculo de parámetros físicos y número de curva:

MDT 4x4 m Proyecto Natmur 2008 Dirección General de Patrimonio Natural y Biodiversidad Región de MurciaMDT 4x4 m. Proyecto Natmur 2008. Dirección General de Patrimonio Natural y Biodiversidad Región de MurciaMapas Geológicos 1:50000. Instituto GeomineroUsos de suelo del Corine Land Cover



Aplicación a cuenca mediterráneaMetodologíaIntroducción ConclusionesResultados y

análisis


25

30Patrón de LINDE modificado

Caudales Mergajón900

15

20

Discretización temporal 15’700

800

T1000T500T200T100

5

10

500

600

auda

l (m

3 /s)

00T50T10T5T1.4

0

0:15

1:15

2:15

3:15

4:15

5:15

6:15

7:15

8:15

9:15

10:1

511

:15

12:1

513

:15

14:1

515

:15

16:1

517

:15

18:1

519

:15

20:1

521

:15

22:1

523

:15

80% precipitación en 6 horas20 % restante distribuidas en 18 h

300

400Ca

Datos de partida para el cálculo de parámetros físicos y número de curva:

MDT 4x4 m Proyecto Natmur 2008 Dirección General de Patrimonio Natural y Biodiversidad Región de Murcia0

100

200

MDT 4x4 m. Proyecto Natmur 2008. Dirección General de Patrimonio Natural y Biodiversidad Región de MurciaMapas Geológicos 1:50000. Instituto GeomineroUsos de suelo del Corine Land Cover

0

0:00

2:30

5:00

7:30

10:0

0

12:3

0

15:0

0

17:3

0

20:0

0

22:3

0

1:00

3:30

6:00

8:30

11:0

0

Tiempo (h)



MetodologíaIntroducción Aplicación a cuenca mediterránea


Conclusiones

Resultados obtenidos para el coeficiente de Manning


0.090

0.100 n_Medio n_Limerinos n_Bathurst (1985)

n_Bathurst (2002) n_Van Rijn n_Aguirre&Fuentes (d50)

n_García Flores&Maza n_Jarret n_Aguirre&Fuentes (d65)

n_Aguirre&Fuentes (dm) Grant (2007) Media +1.5 Desv. Stándar

Resultados obtenidos para el coeficiente de Manning

0.070

0.080

ning

"n"

Media - Desv. Stándar Potencial (n_Medio)

0.050

0.060

sten

cia

de M

ann

0.030

0.040

ficie

nte

de R

esis

0.010

0.020

Coe

f

0.0000 100 200 300 400 500 600 700 800

Caudal (m3/s)



MetodologíaIntroducción Aplicación a cuenca mediterránea


Conclusiones

Resultados obtenidos para el transporte de sedimentos


Resultados obtenidos para el transporte de sedimentos100.00

10 0010.00

sól

ido

(T/s

)

1.00

Cau

dal

Yang S.Q. (2005)-K=12.5 Yang S.Q. (2005) -K=6 Einstein-Barbarrosa Mizuyama y Shimohigashi

Smart y Jaeggi (d65) Yang C.T. Aguirre et. al. (d50) Aguirre et. al. (dm)

Van Rijn Akers-White Meyer-Peter & Müller Banda superior

0.100 100 200 300 400 500 600 700 800

Caudal líquido (m3/s)

Valor medio Banda inferior



MetodologíaIntroducción Aplicación a cuenca del Mergajón

Resultados y análisis Conclusiones

Comparativa Las Angustias Mergajón


100.00

Comparativa Las Angustias - Mergajón

10.00

s)C

auda

l sól

ido

(T/s

1.00

0.100 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Caudal líquido (m3/s)

Las Angustias: A = 56 km2; S = 0.0392; D84 = 870 mm

Mergajón: A = 52 km2; S = 0.033; D84 =14.710 mm

Transporte de fondo



MetodologíaIntroducción Aplicación a cuenca del Mergajón

Resultados y análisis Conclusiones


Proporción transporte de fondo y fondo en suspensiónTransporte de fondo y transporte en suspensión

Mergajón-Las Angustias25

Mergajón - Qs_fondoMergajón - Qs_totalLas Angustias - Qs_fondo

15

20Las Angustias - Qs_totalMergajón ajuste Qs_totalMegajón ajuste Qs_fondoLas Angustias ajuste Qs_fondoLas Angustias ajuste Qs_total

T t d f d

10

Qs

(T/s

) Transporte de fondoEn suspensión

5

Transporte de fondo

00 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Q l (m3/s)

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