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En
este apartado del presente capítulo, se presentarán algunas nociones y
generalidades básicas y se propondrán algunas definiciones de palabras
adoptadas en el tema de la hidráulica fluvial (léxico), esto con el fin de
facilitar su adecuada comprensión y utilización. Ábaco de Moody: (Diagrama Universal de Moody).
Diagrama que relaciona el coeficiente de fricción (f) con el Número de
Reynolds (Re) y la rugosidad relativa de las paredes de un conducto (e).
Ábaco o diagrama de Shields: En el
ábaco de Shields se propone una curva de principio del movimiento de las partículas
en unos ejes
Abanico aluvial: Depósito aluvial (aluvial: depósitos provenientes de los ríos) en forma de cono formado por la desviación o divagación de los ríos.
Se desarrolla en aquella zona donde ocurre un cambio brusco en la
pendiente longitudinal del río. Acarreo: La palabra acarreo se utiliza para referirse a partículas
de sedimentos grandes, es decir, partículas mayores a 25.6 cm.
En un sentido parecido se usan las palabras arrastres y aluviones o bien
materiales de aluvión. Acorazamiento: Cuando el lecho del río está constituido por una mezcla de diferentes tamaños, cada tamaño tiene una tensión crítica diferente, de manera que la corriente, teóricamente, puede desplazar los finos con más facilidad que los gruesos. Mediante este razonamiento puede explicarse un desplazamiento selectivo de las partículas más finas que produzca con el tiempo, a partir de un material originalmente bien mezclado, una frecuencia mayor de gruesos en la superficie. Esta descripción corresponde a la realidad de los lechos de los ríos, ya que son frecuentemente de grano más grueso las capas superficiales que las capas profundas. A este estado se le llama acorazamiento del lecho. Existen tres tipos de acorazamiento: acorazamiento observado, estático y dinámico. (Figura No. 1)
Figura No.1. a)
Acorazamiento observado, b) Acorazamiento estático y c) Acorazamiento dinámico.
O Albardón: Depósitos aluviales altos que bordean los cauces en las llanuras de
inundación. También suele llamárseles
diques aluviales. Este fenómeno es
producto de los permanentes desbordamientos de los ríos que van generando depósitos
de sedimentos.
Alud: Flujo semiviscoso de
escombros a veces de comportamiento torrencial. Aluvión: La palabra aluvión significa también avenida súbita
o fuerte de agua. También se define como el sedimento que es arrastrado por las
lluvias o las corrientes de agua. (Véase avenidas o crecientes) Antidunas: Formas
de fondo en un lecho granular de régimen supercrítico o rápido.
[Ver
apartados 1.9
y 1.9.1,
Figuras 29 y 31
] Arcillas: Partículas
de sedimentos con tamaños menores a 0.004 mm. Arenas: Partículas de sedimentos con tamaños entre a 0.062 mm
y 2.0 mm. Avenidas
o crecientes: En
general, una creciente es un fenómeno de ocurrencia de caudales relativamente
grandes, comparado con el caudal medio de un cauce. Una inundación se
caracteriza por la ocurrencia de caudales grandes que se salen del canal de la
corriente. Una creciente o avenida
puede no causar inundación, especialmente si se construyen obras para tal fin.
El periodo de retorno de una creciente es el tiempo promedio en años en que el
valor del caudal pico de una creciente determinada es igualado o superado por lo
menos una vez. Son dos las causas
principales de las crecientes: el exceso de lluvia y el desbordamiento de
cualquier volumen de agua acumulado aguas arriba.
Esta última causa puede ser debida al rompimiento de la obra que retiene
el agua o a la apertura brusca de las compuertas de un embalse. Avulsión: Cambio repentino del cauce de un río, asociado en general con crecientes
o con modificaciones artificiales en el mismo.
Estos cambios abruptos del cauce de los ríos se producen sin migración
lateral. (Migración
lateral: desplazamiento del cauce hacia los lados de la orilla) Balanza de Lane: Analogía
que permite explicar el concepto de equilibrio de fondo de un río. (Se dice que un fondo se encuentra en equilibrio en
presencia de transporte de sedimentos, en suspensión y por el fondo, cuando no
sufre modificación en su cota). Con el propósito de explicar este fenómeno físico,
Lane (1955) propuso la analogía de la balanza, en la cual se tienen en cuanta
cuatro variables: el caudal líquido (q caudal unitario), el caudal sólido de
fondo (qs caudal sólido unitario), la pendiente del cauce del río
(i) y el tamaño del sedimento (D). El
desplazamiento del fiel (medidor) de la balanza por peso en exceso (los
caudales) o por un brazo en exceso (la pendiente y el tamaño) da lugar a erosión
o sedimentación, según sea en uno u otro sentido.
La analogía de la balanza es una herramienta útil para analizar
cualitativamente el desequilibrio de un río, por ejemplo por causa de la acción
humana. [Ver
apartado 1.7.1, Figura
24 ] Basculamiento de fondo: Variación
o cambios en la pendiente de fondo de un río. Se busca por medio de esta
variación restablecer un equilibrio de fondo perdido, ya que si la pendiente
está desequilibrada se generarán fenómenos de erosión o de sedimentación.
Si se tiene un desequilibrio de erosión, la pendiente disminuirá y a la
inversa, un desequilibrio de sedimentación puede desarrollarse en el sentido de
aumentar la pendiente si se mantiene un punto fijo en el fondo aguas abajo. [Ver apartado 1.7.1, Figura 25 ] Bolos: Partículas de sedimentos con tamaños mayores a 25.6
cm. Carga de lecho o de fondo: Movimiento
de partículas en contacto con el lecho del río, las cuales ruedan, deslizan o
saltan. Carga en suspensión: Movimiento de partículas en suspensión dentro del flujo en una corriente. La tendencia de asentamiento de la partícula es continuamente compensada por la acción difusiva del campo de flujo turbulento, es decir, la carga en suspensión se refiere esencialmente al sedimento que es soportado por las componentes hacia arriba de las corrientes turbulentas que mantienen en suspensión el material de sedimentos, (con origen en el fondo del cauce o con origen en la cuenca), un periodo de tiempo considerable. El transporte en suspensión puede representar el 90% o más de todo el transporte sólido de un río y en general son materiales del tamaño de limos y arcillas.
Carga
de lavado: Acarreo
del material más fino transportado por el río proveniente de la cuenca.
El origen en la cuenca significa que simultáneamente al transporte de
material del lecho en suspensión con origen en el fondo del cauce, la corriente
transporta material con origen en la cuenca u hoya hidrográfica
El material de lavado es suministrado por fuentes externas (erosión de
la cuenca) y no depende directamente de las condiciones locales existentes, pero
si depende de las condiciones geológicas, edafológicas e hidroclimatológicas
de la cuenca y su estimación se realiza a partir de la medición directa en el
río, con base en los datos de aforo sólido del material en suspensión. La
carga de lavado puede solamente ser transportada como carga en suspensión y es
generalmente material fino menor de 50mm, que
puede representar un porcentaje muy importante del transporte en suspensión.
(Que a su vez es, según la zona geográfica por la cual discurre el río,
la mayor cantidad del transporte sólido, por ejemplo si el río está próximo
a su desembocadura con el mar, la carga de lavado es alta y si el río se
analiza en la zona de origen, esta carga de lavado puede llegar a ser nula). Cauce meandriforme o meándrico: Morfología fluvial típica, que corresponde a un cauce sinuoso o con meandros.
El cauce es único pero forma curvas, y la ondulación en planta se
acompaña de una asimetría en las secciones transversales, ya que el calado o
profundidad máxima es mayor junto a la orilla cóncava o exterior y menor junto
a la orilla convexa o interior. [Ver
apartado 1.4.5.3, Figura
13 ] Cauce trenzado: Morfología fluvial típica, que corresponde en general a un cauce muy
ancho, compuesto de una multiplicidad de cauces menores entrelazados o
trenzados, dejando islas sumergibles entre si al unirse y separarse.
Son cauces inestables en el sentido en que una avenida o creciente puede
cambiarlos considerablemente. [Ver apartado 1.4.5.2, Figuras 12 y 13 ] Caudal dominante o formativo: El
caudal que llena el cauce principal llamado también caudal de cauce lleno o
caudal formativo, desarrolla la mayor o más importante acción modeladora sobre
el cauce del río (en términos de velocidad v o de tensión tangencial t), puesto que un caudal mayor es menos frecuente y
sobretodo apenas incrementa la acción (v o t). El
caudal dominante o formativo es el determinante esencial de la geometría hidráulica
del río. [Ver
apartado 1.6.2, Figura
22-a ] Caudal ecológico (Qe): El
caudal ecológico es el caudal mínimo que se necesita para mantener las
especies de flora y fauna existentes en el medio. Este caudal ecológico se toma
generalmente entre el 10% y el 20% del caudal líquido total transportado. Según
se centre la atención en unas u otras especies, el caudal será diferente y
estos valores, en casos especiales, pueden considerablemente ser superados, ya
que el medio físico interviene por cuanto no es el caudal el que mantiene las
condiciones de vida, sino unas ciertas profundidades y velocidades mínimas en
su circulación. Caudal líquido (Q): Es el
volumen de agua por unidad de tiempo que cruza una sección transversal dada.
(Q=V/t) Caudal sólido (Qsp): Es la relación del peso o del volumen de sedimentos por unidad de tiempo que cruza una sección transversal dada. (Qsp
= "sedimentos / t)
Caudal sólido unitario en peso (qsp): Es la integración en la vertical del producto
de las dos variables: qsp
=
Donde: c = concentración de sedimentos en suspensión, en (mg/l) y v = velocidad del sedimento en suspensión en (m/seg). Al peso por unidad de tiempo se le sigue llamando “caudal en peso” y es preferible esta expresión porque las medidas practicables en un río son las velocidades del agua y las concentraciones del material sólido en suspensión expresadas en (mg/l). Ambas
variables tienen una distribución en la vertical predecible o reconocible: la
de velocidades v(y) es una distribución logarítmica como se deduce de
la teoría de la capa límite; la de concentraciones c(y) es en primera
aproximación una función exponencial negativa sobre la coordenada y
(profundidad de la lámina de agua en el río). Caudal sólido en volumen (Qs): Es el
volumen de sedimentos por unidad de tiempo que cruza una sección transversal
dada. Caudal sólido unitario en volumen (qs): Es el
volumen de sedimentos por unidad de tiempo que cruza una sección transversal
dada por unidad de anchura. (qs
= "s/t/m) Clasificación del transporte de sedimentos: El
transporte de sedimentos de un río puede clasificarse atendiendo a dos
criterios: según el origen del material y según el modo de transporte. Según el modo, el sedimento puede transportarse en suspensión,
sostenido por la turbulencia del flujo, o bien por el fondo, rodando, deslizando
o saltando. Una partícula inicialmente en reposo puede transportarse a saltos por el fondo cuando se supera el umbral del movimiento, pero si el río sigue creciendo, puede transportarse luego en suspensión. Cuanto más intensa es la acción de la corriente, mayor es el tamaño del material de fondo puesto en suspensión y transportado de este modo. Esta noción nos lleva a observar que el transporte de sedimento cuyo origen es el cauce, se reparte entre los dos modos de transporte: en suspensión y de fondo. Concentración de sedimento (c): Cantidad
en peso de sedimentos contenido un volumen de agua determinado, se expresa en
(mg/l).
Contorno de un río: Expresión
utilizada para denominar las márgenes de un río. Cortante de fondo (to): Es la
fuerza resistente que se genera a partir de la fricción entre el agua y el
material de fondo. Llamada también
tensión cortante de fondo. Cuenca: Área definida en general topográficamente y drenada
por un curso de agua o un sistema conectado de cursos de agua, de tal modo que
todo el caudal efluente es descargado a través de una salida simple. También
se denomina: Hoya hidrográfica. Clasificación
de los cursos o corrientes de agua:
Con base en la constancia de la escorrentía, los
cursos o corrientes de agua se pueden dividir en: a.
Perennes. ·
Corrientes con agua todo el tiempo. ·
El nivel de agua subterráneo mantiene una alimentación continua y no
desciende nunca debajo del lecho del río. b.
Intermitentes. ·
Corrientes que escurren en estaciones de lluvia y se secan durante el
verano. ·
El nivel de agua subterráneo se conserva por encima del nivel del lecho
del río sólo en la estación lluviosa. En
verano el escurrimiento cesa, u ocurre solamente durante o inmediatamente después
de las tormentas. c.
Efímeros. ·
Existen apenas durante o inmediatamente después de los periodos de
precipitación, y sólo transportan escurrimiento superficial. ·
El nivel de agua subterráneo se encuentra siempre debajo del nivel
inferior del lecho de la corriente; no hay, por lo tanto, posibilidad de
escurrimiento subterráneo. Curva granulométrica: La
manera más común de analizar la distribución de tamaños en el lecho (o
granulometría) es tamizar una muestra y pesar la fracción que pasa cada tamiz
pero que es retenida en el siguiente. La
representación gráfica de estas fracciones en un histograma es una versión
discreta, en clases de tamaños, de una función de densidad de probabilidad de
los tamaños. La gráfica
acumulada en la que se representa la fracción (o tanto por ciento) en peso
menor que un tamaño determinado, se obtiene sumando los pesos de todas las
clases inferiores. Esta curva es una función discreta de la función de distribución acumulada de la variable tamaño D. (Figura No. 2) Figura No. 2
Distribución discreta o continua de tamaños.
O En
esta última representación, conocida también como curva granulométrica, se
entiende la nomenclatura empleada para designar un tamaño Dn es el
tamaño tal que el (n)% del peso del material es menor que él. Con
esta nomenclatura, si n1 > n2, entonces Dn1 >
Dn2. O también, por ejemplo, D90 significa un tamaño
grande o la parte gruesa del material, mientras D10 significa uno
pequeño o la parte fina del material (Figura
No. 3). Figura No. 3
Curva granulométrica (acumulada) continua.
O Pensando
en términos estadísticos, interesa caracterizar la distribución granulométrica
o de tamaños por unas medidas de posición y de dispersión. Densidad de drenaje (Dd): Es la
relación entre la longitud total de los cursos de agua de la hoya hidrográfica
y su área total. Dd
= L/A, en (km/km²), Donde: L
= Longitud total de las corrientes de agua en (km) y, A = Área
total de la hoya hidrográfica en (km²). Delta Aluvial: Formación
geomorfológica de un río al final de su desembocadura, producido por la
depositación de sedimentos, es decir, el material de lavado transportado (carga
en suspensión). Esta formación
tiene forma de delta (D), ya que
se ramifica en varios ramales en su proximidad al mar. Densidad (rs): La
densidad de un fluido o una mezcla representa la masa de fluido o mezcla
contenida en la unidad de volumen; r = masa/volumen
[ML-3] (kg/m³). La
densidad de los líquidos y las mezclas depende de la temperatura y es prácticamente
independiente de la presión. [Ver
apartado 1.3.1, Numeral:
(1) ] Densidad relativa (DR o d): Es la relación entre la densidad de una mezcla (puede ser agua con sedimentos) y la densidad del agua;
[Ver
apartado 1.3.1, Numeral:
(1) ]
Diámetro característico: Tamaño
medio de las partículas con el cual pueden ser caracterizadas para diferentes
propósitos.
Dunas: Las dunas son formas de fondo en un río, que presentan
ondulaciones triangulares pero con taludes diferentes en su formación: el de
aguas arriba es muy suave y el de aguas abajo muy pronunciado.
El tamaño de la duna es de un orden de magnitud mayor que el de los
ripples o arrugas, pero además está en una proporción constante con el
calado. La superficie libre se
ondula suavemente en oposición al fondo (descenso sobre la cresta y ascenso
sobre el valle), lo que indica que el régimen hidráulico es lento.
Las dunas migran hacia aguas abajo; su movimiento es el resultado del
avance de los granos sobre la pendiente suave para quedar atrapados tras la
cresta. El transporte de fondo en lechos de dunas se puede
cuantificar a través de su velocidad de avance.
[Ver apartados 1.9
y 1.9.1,
Figuras 29 y 31
] Encauzamiento: A
pesar del amplio uso de la palabra es difícil definir qué se entiende
exactamente por encauzamiento. Un encauzamiento, en sentido amplio, es cualquier
arreglo o intervención que toma un tramo de río (un tramo de cauce) como su
objeto de actuación primordial, a lo que se denomina obra de encauzamiento
Con esta definición se excluyen por ejemplo las obras de aprovechamiento
del río (del caudal de agua, principalmente) y las obras de infraestructura
(vial o de servicios) que interactúan con el río, todas las cuales pueden
llamarse sin embargo, con mayor o menor propiedad, obras fluviales. Erosión en un cauce: La
erosión en un cauce es el descenso del fondo, o el retroceso de las orillas,
como consecuencia de fenómenos de dinámica fluvial naturales o suscitados por
obras civiles del hombre. Como
indica la balanza de Lane, la erosión es también una respuesta del cauce a la
falta de equilibrio entre las variables principales.
Ya que una de estas variables, el caudal sólidos es de tan incierta
cuantificación, es lógico que la erosión sea extraordinariamente difícil de
prever. Erosión general: La
erosión general del fondo se puede explicar por la acción de un flujo de agua
caracterizado simplemente por una velocidad media. Afecta a tramos largos del cauce y sería la única o
primordial en un cauce recto, prismático y sin ninguna singularidad. Erosión lateral: Se
llama erosión lateral al proceso erosivo o de desgaste de las orillas de un río. Erosión local de fondo: La
erosión local del fondo se explica por la acción de un flujo más complejo,
que en una sección de la corriente (vertical u horizontal) requeriría una
descripción bidimensional de las velocidades.
Se presenta asociada a singularidades, como obstáculos. La erosión local afecta a una pequeña extensión y el flujo
local tiene una fuerte turbulencia y desarrolla vórtices. (Remolinos) También puede hablarse de
erosión general de orillas o márgenes en tramos rectos y de erosión local de
orillas en tramos rectos. Erosión progresiva: Es la
erosión que avanza hacia delante y hacia aguas abajo. Erosión regresiva: Es la
erosión que avanza hacia delante y hacia aguas arriba. Erosión transitoria: Es el
descenso del fondo durante la fase ascendente de una avenida o creciente.
La erosión transitoria tiene una clasificación temporal de la erosión,
a diferencia de la clasificación espacial. Erosión permanente: Erosión
a largo plazo ocasionada por un desequilibrio geomorfológico o causado por el
hombre. La obra humana que más señaladamente
causa una erosión general a largo plazo es la construcción de un presa. Extradós de la curva de un río: Orilla externa de la curva de un río, en sentido de aguas arriba hacia aguas abajo. También esta orilla llamada extradós es la curva de mayor longitud. ((Figura No. 4) En el caso de la figura, el extradós es la orilla izquierda y el intradós es la orilla derecha en el sentido o dirección del flujo, desde aguas arriba hacia aguas abajo.) (Intradós: Orilla interior de la curva de un río, curva de menor longitud).
Figura
No. 4 Definición de los conceptos
de extradós e intradós en las orillas de un río.
O Formas en planta: En la
morfología fluvial, se distinguen tres morfologías típicas: la primera es el
cauce recto, la segunda es el cauce trenzado y la tercera es la de un cauce
sinuoso o meandriforme (ver cauce recto,
trenzado y meandriforme).
Las formas en planta básicamente se refieren a la geomorfología de los
ríos analizada en una vista de planta. [Ver
apartado 1.4.5, Figura
13 ]
Formas de fondo: El
fondo de un río con transporte de sedimentos, es decir, habiendo superado el
umbral del movimiento, puede presentar una configuración no plana sino ondulada
siguiendo las llamadas formas de fondo, las cuales tienen importancia porque
participan en el transporte de sedimentos y porque intervienen decisivamente en
la resistencia al flujo (rugosidad). Las formas de fondo ocurren con toda
propiedad en lechos de arena, mientras que en ríos de grava y en ríos con
materiales gruesos de granulometría extendida parece que se presentan
limitadamente o no se presentan. Las
formas de fondo más comunes son: rizos o ripples, dunas, fondo plano, antidunas
y los rápidos o pozos. [Ver
apartados 1.9
y 1.9.1,
Figuras 29 y 31
] Geomorfología: Estudio
de la interrelación entre las formas terrestres y el medio que las contiene.
La geomorfología estudia, entre otros, temas relacionados con la
morfodinámica de los ríos, que consiste en la relación dinámica entre los
procesos transformadores de las superficies de erosión y sedimentación y
consecuentemente las geoformas generadas. Grados
de libertad de los ríos: El
grado de libertad de un río, se define como el número de parámetros que se
pueden ajustar libremente con el tiempo, al pasar gastos líquidos y sólidos
preestablecidos. Se pueden
establecer cuatro grados de libertad: · Flujo
con un grado de libertad: Hace referencia a la variación de la profundidad d
(tirante) de la lámina de agua del río. Para
este grado de libertad, conocido el caudal, se requiere sólo una ecuación para
despejar la incógnita, que es d. · Flujo
con dos grados de libertad: Hace referencia a la variación y ajuste de dos
variables geométricas, generalmente la profundidad d y la pendiente
longitudinal So para un caudal dado.
· Flujo
con tres grados de libertad: Una corriente con tres grados de libertad es
aquella que ajusta libremente tres variables geométricas, generalmente la
profundidad d, el ancho B y la pendiente longitudinal So para un
caudal dado. · Flujo
con cuatro grados de libertad: Para algunos autores existe un cuarto grado de
libertad, cuando cauces que tienen tres grados de libertad, es decir, que
ajustan la profundidad, el ancho y la pendiente, adicionalmente se mueven en el
plano horizontal y llegan a desarrollar meandros. Granulometría:
Procedimiento para
analizar la distribución de tamaños en el lecho de un río. Es también la
medida de los diferentes tamaños de las partículas que constituyen el lecho de
un río. Los lechos de los ríos pueden ser cohesivos o granulares, pudiéndose
estos clasificar de acuerdo con su granulometría, que puede ser en peso o en
porcentaje que pasa determinado tamiz. Gravas: Partículas de sedimentos con tamaños entre 2.0 mm y
64.0 mm. Hidráulica Fluvial: El
estudio de los ríos, las intervenciones humanas en los ríos, el
aprovechamiento de los recursos hídricos y la reducción de riesgos de daño se
denomina hidráulica fluvial. Hidráulica torrencial: Rama
de la hidráulica fluvial que estudia el flujo en los torrentes. (Torrente: Cursos de agua con
pendientes en general superiores al 6%)
En ellos, se abandona la premisa que el flujo tiene una fase sólida y
una líquida, ya que es tal la cantidad de sólidos transportados que el
comportamiento del fluido es no newtoniano, posiblemente con grandes bolos y una
matriz de barro. El flujo se llama
lava torrencial, flujo de derrubios o escombros.
El avance de un flujo como una pared o frente de onda se produce en
torrentes y también en ríos de menor pendiente bajo avenidas súbitas. Hidrograma: Se
denomina hidrógrafa o hidrograma de caudal, la representación gráfica de la
variación del caudal líquido en relación con el tiempo. Hidrología: La
hidrología versa sobre el agua de la tierra, su existencia y distribución, sus
propiedades físicas y químicas, y su influencia sobre el medio ambiente,
incluyendo su relación con los seres vivos.
El dominio de la hidrología abarca la historia completa del agua sobre
la tierra. (Definición según el Federal Council
for Science and Technology). Inundación: Fenómeno
producido por el desbordamiento de un río, generado a partir de una avenida o
creciente. El caudal dominante del
río es excedido y por ende se desborda hacia un área colindante, llenando así
áreas de terreno que generalmente no tienen presencia de agua.
Las
inundaciones presentan graves daños directos e indirectos, por ejemplo, a la
economía local de una zona. El daño
de dicha inundación pueden calcularse para diferentes probabilidades de
ocurrencia, y el daño principalmente es función del calado o profundidad de
dicha inundación. Lámina libre: Estado
de flujo, donde este, se transporta por medio de cauces naturales o canales
construidos para tal fin. La lámina
de agua esta siempre en contacto directo con la presión atmosférica, y existen
fuerzas cortantes con la superficie que lo transporta y con el aire. Lecho cohesivo: Lecho
de un río, donde las partículas que constituyen el fondo se componen de
materiales cohesivos. La mayoría de los suelos naturales tienen una cierta
cantidad de cohesión. Este factor
fluvialmente no se entiende bien, por lo que sólo relaciones empíricas definen
esta propiedad. Cuando el efecto de
cohesión es despreciable, el material desprendido o suelto que está en el
fondo de los ríos puede tratarse teóricamente.
La hidráulica fluvial relativa a lechos cohesivos está todavía en sus
principios. Lecho de un río: Fondo
o cauce de un río. Los lechos de
los ríos están compuestos por materiales granulares o cohesivos. El lecho está constituido por partículas sueltas o en
cohesión de distintos tamaños. Lecho fijo: Fondo
de un río que no tiene dinámica del transporte de sedimentos. Este fondo no se presenta en la naturaleza y solo se puede
obtener con obras construidas para tal fin, empleando materiales como el
concreto y otros que transportan agua libre de sedimentos o que no se depositan.
Es de hacer notar que el fondo fijo no deberá confundirse con un lecho
no erosionable. Lecho granular: El
lecho de un río está constituido por partículas sueltas de diferentes tamaños.
En los ríos aluviales, éstos lechos suelen ser granulares y son
aquellos que discurren sobre materiales transportados por el propio río en su
pasado geológico. Lecho móvil: Fondo
de un río que tiene dinámica para el transporte de sedimentos. Este fondo se presenta en la naturaleza geomorfológica de la
totalidad de los ríos. Es de hacer
notar que el fondo o lecho móvil tiene relación directa con un lecho
erosionable. Leyes de Fargue: Leyes empíricas que explican una aproximación más detallada a la
morfología de un meandro, cuyo interés se encontrará en aplicaciones a
encauzamientos. La observación
principal de Fargue es en síntesis, que existe una relación entre la curvatura
en planta del cauce y la pendiente local del fondo del río. Esta idea relaciona
el movimiento horizontal del cauce (planta) con el movimiento vertical del cauce
(perfil). [Ver
apartado 1.6.3, Figura
23] Limos: Partículas de sedimentos con tamaños entre 0.004 mm y
0.062 mm. Material de Lavado: Materiales
más finos del acarreo del río. El
material de lavado solamente puede ser transportado como carga en suspensión y
es generalmente material fino menor de 50mm. (Ver Carga de lavado). Meandro: Formación geomorfológica del cauce de un río, cuyo
cauce es único pero forma curvas. La
ondulación en planta se acompaña de una asimetría en las secciones
transversales, ya que el calado o profundidad es mayor junto a la orilla cóncava
o exterior y menor junto a la orilla convexa o interior.
Los meandros presentan una evolución que consiste en la progresión o
desplazamiento en dirección aguas abajo y una profundización a costa de las
orillas, en dirección perpendicular a la anterior.
El ritmo de esta evolución de los meandros depende de la resistencia de
las orillas a la erosión. [Ver
apartado 1.4.5.3, Figura
13 ] En el
caso de los ríos que discurren por llanos aluviales poco resistentes, donde no
existe restricción a la “libertad” de esta evolución, los meandros se
mueven grandes distancias. Los
meandros irregulares pueden ser señal de orillas resistentes.
El punto final de la evolución “libre” de un meandro es el encuentro
en el “cuello” para desarrollar un corte y el abandono de los lóbulos. Morfología Fluvial: Estudio
de las formas que pueden generarse en un río de acuerdo con su dinámica, estas
formas pueden ser en planta o en perfil. Número de Froude (Fr): El número
de Froude se define como la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas
debidas a la gravedad, es decir:
n = Velocidad media del flujo. g =
Aceleración de la gravedad. l =
Profundidad hidráulica (D), que es igual a la relación del área mojada (A) de
la sección sobre el ancho superior de la superficie libre o ancho superficial
(T), es decir, D = A/T. El número de Froude tiene importancia en flujos con velocidades grandes que ocurren por la acción exclusiva de la gravedad; tal es el caso del flujo turbulento (que es que se presenta en los ríos) a superficie libre, donde los efectos viscosos son despreciables. A medida que aumenta el número de Froude, mayor es la reacción inercial de cualquier fuerza; en tanto disminuye, mayor es el efecto de la fuerza gravitacional.
Número de Reynolds (NRe): El número
de Reynolds se define como la relación entre las fuerzas de inercia y las
fuerzas viscosas, es decir:
V =
Velocidad característica del flujo, l =
Longitud característica, r = Densidad de la masa y, m = Viscosidad del fluido. n = Viscosidad cinemática. (n = r/m) Número
de Reynolds del grano (Re*): El
Número de Reynolds del grano, llamado también Número de Reynolds granular
refleja como cociente el valor relativo de las fuerzas de inercia y las viscosas
en el entorno de un grano, es decir, el grado de turbulencia. A mayor Re* el
movimiento es más turbulento alrededor de la partícula y la curva de Shields
tiende a ser horizontal. El Número de Reynolds granular se expresa como:
Re* =
Donde: V * =
Velocidad característica de corte del grano D =
Longitud característica
n = Viscosidad cinemática del fluido. Orden de las corrientes de agua: Orden
que ocupa en un sistema de drenaje una corriente de agua. Refleja el grado de ramificación de las corrientes de agua
dentro de una hoya hidrográfica. Se
dividen en: a.
Corrientes de primer orden: Pequeños canales que no tienen tributarios. b.
Corrientes de segundo orden: Cuando dos corrientes de primer orden se
unen. c.
Corrientes de tercer orden: Cuando dos corrientes de segundo orden se
unen. d.
Corrientes de orden n+1: Cuando dos corrientes de orden n se unen. Orillares: Depósitos aluviales asociados con la migración lateral de la orilla de
los ríos meándricos trenzados. Paleocauce: Cauce abandonado por un río, también suele llamársele madrevieja. Peso específico (gs):
Representa el peso de una sustancia (un fluido por ejemplo) por unidad de
volumen. Sus dimensiones son (FL-3).
Los cauces naturales están formados por partículas de rocas y minerales
cuyo peso específico tiene poca variación.
El
valor medio para los sedimentos es gs =
2.65 T/m³ o bien el peso específico relativo es gs / g = 2.65.
[Ver
apartado 1.3.1, Numeral:
(2) ] Piedemonte: Región transicional entre las vertientes y la llanura, dominado por
abanicos y terrazas. Potencia de la corriente: Concepto
que explica de manera concisa y sencilla, a pesar de las muchas variables que
intervienen, la capacidad de “arrastre” de un río. El
concepto de potencia de la corriente de un río, se define como la cantidad de
energía por unidad de área y se expresa por la siguiente ecuación:
P
= Potencia de la
corriente, (kg·m/seg/m²) g =
Peso
específico del agua, (kg/m³) y =
Profundidad de la lámina de agua del río, (m) So
= Pendiente del fondo del
río, (m/m) V =
Velocidad media de la corriente del río, (m/seg) Precipitación: Agregado
de partículas acuosas, líquidas o sólidas, cristalizadas o amorfas que caen
de una nube o grupo de nubes y alcanzan el suelo.
Precipitación es, en general, el término que se refiere a todas las
formas de humedad emanadas de la atmósfera y depositadas en la superficie
terrestre, tales como lluvia, granizo, rocío, neblina, nieve o helada.
Las precipitaciones pueden ser clasificadas de acuerdo con las
condiciones que producen movimiento vertical del aire: convectivas, orográficas
y de convergencia. Rápidos y Pozos: Formas
de fondo que se presentan debido a que la superficie libre del río presenta una
fuerte ondulación en consonancia con el fondo, lo que indica que el régimen
hidráulico de la corriente es rápido. La
evolución de este régimen conduce a la aparición de crestas y espuma y
finalmente verdaderos resaltos hidráulicos.
En ocasiones se añade a la clasificación de formas de fondo una llamada
“rápidos y pozos”, que es punto final de la evolución indicada y se
presenta en ríos de gran pendiente. Estos
hechos sugieren la idea de que el régimen rápido no ocurre en forma estable y
prolongada en los cauces naturales porque el fondo es deformable y móvil.
(De igual forma suele denominárseles en la literatura al rápido, vado y
al pozo, foso u hoyo) [Ver apartados 1.9
y 1.9.1,
Figuras 29 y 31
] Recursos Hídricos: Capital
hídrico con que cuenta una Nación o zona geográfica determinada para su
aprovechamiento y desarrollo. Estos
recursos pueden contener las aguas superficiales y subterráneas, además de las
regiones costeras. Régimen Hidrológico: Sistema
de fenómenos naturales que gobiernan situaciones tales como: las lluvias o
precipitaciones, magnitud de caudales líquidos y sólidos y procesos de
escorrentía superficial y subterránea. Represamiento: Bloqueo de un drenaje por movimientos en masa, por ejemplo, un
deslizamiento. Resistencia al flujo: Fenómeno
físico de rozamiento del flujo de agua que corre por una sección determinada
con el medio natural que lo contiene. Esta
fuerza de rozamiento se produce al friccionar dos medios diferentes como son: el
agua y el lecho del río, y el agua y el aire, ya que la lámina de agua se
encuentra a superficie libre. Río Aluvial: Los ríos
aluviales son aquellos que discurren sobre materiales transportados por el
propio río en el pasado geológico y por ello sus lechos suelen ser granulares. Río torrencial: Se
llaman ríos torrenciales los que tienen una pendiente mayor del 1.5% y
torrentes los cursos de agua de pendiente mayor que el 6%. Río: Elemento natural que recoge las aguas de una cuenca y
las transporta en lámina libre hasta su desembocadura. El río es un sistema de
flujo mixto con agua y sedimentos (material que procede del cauce mismo del río
o de la hoya hidrográfica a la cual pertenece). Los ríos a pesar de todas estas variables que los afectan,
buscan y permanecen en equilibrio en todos sus cuatro grados de libertad que permiten
desarrollar, transportando agua sobre el material del valle, acarreado por el
propio río. Este material puede ser movido y arrastrado por el agua, modificándose
así los contornos y el fondo o lecho del río mismo, variando además sus
secciones transversales de gran manera con el paso del tiempo y dependiendo de
las situaciones climáticas a las cuales se haya sometido en ese lapso de
tiempo. Ríos efímeros: (Véase Clasificación de
los cursos o corrientes de agua). Ríos perennes: (Véase Clasificación de
los cursos o corrientes de agua). Rizos o ripples: Pequeñas
ondulaciones con altura máxima del orden de centímetros y longitud de onda máxima
del orden de decímetros. Sólo
aparecen con arena fina
(< 0.6 mm) y su presencia indica que el movimiento no es turbulento
rugoso en el fondo (o sea, la capa límite granular recubre el grano). Se adopta
también la palabra arruga (en la literatura española
se suele denominar arruga), por imitación del portugués ruga
con el mismo significado, para evitar el anglicismo ripple o ripple marks. Rugosidad: Cuando
la superficie de un material se amplifica, se puede observar fácilmente que está
formada por irregularidades o asperezas de diferentes alturas y con distribución
irregular o aleatoria, a esta situación se le denomina rugosidad.
La rugosidad del lecho de un río tiene el mismo principio, ya que el
fondo presenta diversas y variadas irregularidades y casi nunca se presenta un
lecho plano. Sedimento: La
palabra sedimento designa colectivamente el diferente material en tamaño que
conforma un lecho de un río. Sedimentograma: Se
denomina hidrograma de caudal sólido o sedimentograma
a la representación gráfica de la variación del caudal sólido
(sedimentos) en relación con el tiempo. Sinuosidad de las corrientes de agua (S): Es la
relación entre la longitud del río principal medida a lo largo de su cauce, L
(km), y la longitud del valle del río principal medida en línea recta o curva,
Lt (km). S =
L/Lt (valor adimensional) Sistema de drenaje: Es
aquel que está constituido por el río principal y sus tributarios o afluentes. Socavación: La
socavación, definida según la ASCE (Manual 43) es “la acción erosiva
del agua de una corriente, excavando y transportando el suelo del lecho y de las
márgenes”. La socavación puede
tener lugar tanto en suelos sueltos como en rocas sólidas. La socavación es frecuentemente la causa que deja un puente
fuera de servicio, dando lugar al cierre de una carretera, la pérdida de la
vida útil del mismo (desde el punto de vista de la cimentación del puente en
el río), demoras en el tráfico y grandes costos de reparación. La
socavación es un fenómeno natural que tiene lugar fundamentalmente en las
corrientes aluviales, pero no se limita de ninguna manera a tales corrientes
dado que el desplazamiento del lecho en el cauce y del terreno en las márgenes
por procesos de socavación es un fenómeno que puede encontrarse en todo tipo
de río o corriente. Terraza aluvial: Depósito aluvial correspondiente a un antiguo nivel fluvial, actualmente
disectado. Thalweg: Línea que une los puntos de mayor profundidad o calado
a lo largo del cauce principal de un río.
En navegación fluvial esta línea, en teoría, resulta ser la línea más
adecuada para el transporte fluvial. Torrente:
Cursos de agua con pendientes en general superiores al
6%. Transporte de material del lecho:
Transporte de sedimentos en una corriente de agua que tiene su origen en
el lecho del río. Esto significa
que el transporte es determinado por las condiciones del lecho y del caudal
(puede consistirse en transporte de fondo y en carga en suspensión).
Este movimiento
de partículas en contacto con el lecho del río puede realizarse rodando,
deslizando o saltando. Como el
origen de este material es en el lecho del río, donde su disponibilidad es prácticamente
ilimitada, la carga que puede ser transportada depende de la potencia del flujo
y en consecuencia se establece una relación directa entre este tipo de
transporte y el caudal líquido. El
transporte de fondo o de material del lecho tiene sin embargo la mayor repercusión
morfológica sobre el río mismo, ya que causa sus modificaciones y por ello es
de interés en ingeniería fluvial. El
transporte de fondo (y más exactamente el transporte de material del cauce) está
ligado a las características hidráulicas del cauce: ancho, pendiente,
granulometría, caudal, etc. Transporte por arrastre de fondo:
Transporte de sedimentos donde las partículas están parcialmente
sustentadas por el lecho del río. Se
ha supuesto arbitrariamente que este movimiento se desarrolla en una capa
delgada de dos diámetros de espesor. La
concentración en esta capa es muy alta y es la fuente para alimentar la
suspensión en otros puntos de la vertical.
Transporte
en saltación: Transporte
adicional de material
(sedimentos) por arrastre, que a veces no es tenido en cuenta debido
fundamentalmente a su magnitud; este transporte está en una zona por encima de
la zona definida para la carga de arrastre y que se mueve por saltación.
Para fines prácticos esta zona se define, por encima del fondo, entre
los 5.0 cm y los 30.0 ó 50.0 cm, dependiendo de la profundidad del agua en la
sección vertical de aforo, en general se asume como 50.0 cm para profundidades
mayores de 3.0 m. Transporte en suspensión: Transporte de material suspendido en la corriente de un río. El transporte en suspensión puede representar el 90% o más
de todo el transporte sólido de un río y dentro de él el material de lavado
puede ser una parte grande. Este material de lavado está ligado a las características
hidrológicas de la cuenca: la litología, los suelos, las pendientes, la
vegetación, la precipitación, la escorrentía, etc.
De hecho la pérdida de suelo de una cuenca podría cuantificarse
mediante el material de lavado transportado por el río.
El material transportado en suspensión tiene gran repercusión en la
salida o desembocadura de un sistema fluvial: en la formación de los deltas o
la colmatación de los embalses. Transporte Total: La suma total de las descargas de sedimento transportado en suspensión (material del lecho y de lavado),
arrastre (material del lecho) y saltación (material
del lecho), constituye la descarga o transporte total. Umbral o principio del movimiento: Un lecho granular que soporta la circulación de una corriente de agua verá en algún momento desplazada una partícula por la fuerza del arrastre del agua. Saber en qué condiciones y en que momento ocurre esto, es el problema del umbral del movimiento, principio del movimiento o condición crítica del movimiento de fondo, problema intensamente investigado en hidráulica fluvial, con gran implicación práctica sobre la erosión de fondo. El conocimiento que se tiene proviene principalmente de ensayos de laboratorio con arenas uniformes. Aunque no hay acuerdo completo, si parece dibujarse un consenso en torno a un resultado conocido como el ábaco de Shields. Velocidad de corte (V*): Velocidad característica de fondo, se expresa como: V* = Velocidad característica de corte del grano; lo más interesante de V* es que, como velocidad significativa para el fondo es la más indicada para constituir un Número de Reynolds granular, Re*
=
to = r (V*)²
o V* =
(El Número
de Reynolds granular tiene estrecha relación con el ábaco de Shields). Viscosidad: La
viscosidad de un fluido o una mezcla es una medida de su resistencia a fluir
como resultado de la interacción y cohesión de sus moléculas. Tiene unidades
en (N·seg/m²) o (m²/seg). Volumen neto de caudal sólido: También
el transporte de fondo se expresa frecuentemente en peso, además de darse en
volumen. En este caso hay hasta
cuatro modos de expresarlo y no deben confundirse. La primera expresión de la
magnitud del transporte de fondo es el volumen neto, que corresponde exactamente
a la definición del caudal sólido. Volumen bruto o total de caudal sólido: Segunda expresión de la magnitud del transporte de fondo, este incluye los huecos o espacios vacíos que componen el material (sedimentos). Designando por l el índice de huecos o espacios vacíos, que es función de la granulometría del material, el volumen bruto es:
este concepto volumen de empaquetamiento del material Volumen en peso seco de caudal sólido: Tercera
expresión para la magnitud del transporte de fondo, cuya relación con el
volumen neto es el peso específico (2650 kp/m³ en materiales naturales). Volumen en peso sumergido de caudal sólido: Cuarta
expresión de la magnitud del transporte de fondo, cuya relación con el volumen
neto es el peso específico sumergido (1650 kp/m³).
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Escuela Colombiana de Ingeniería. Centro de Estudios Hidráulicos y Ambientales. |
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