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15.1 PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS
Rainfall and surface runoff are the agents responsible for the detachment and movement of soil particles on the land surface. These soil particles are referred to as sediments. The study of sediment detachment and movement is an important subject in engineering hydrology. Indeed, the subject of sediment transcends engineering hydrology to encompass the related fields of fluvial geomorphology, sediment transport, and sedimentation and river engineering [2, 4, 25, 40]. La lluvia y la escorrentía superficial son los agentes responsables del desprendimiento y movimiento de partículas de suelo en la superficie de la tierra.Estas partículas del suelo se conocen como sedimentos. El estudio del desprendimiento y movimiento de sedimentos es un tema importante en la ingeniería hidráulica. De hecho, el tema de sedimentos trasciende la hidrología de la ingeniería para abarcar los campos fluviales relacionados geomorfología, transporte de sedimentos y sedimentación e ingeniería fluvial [2, 4, 25, 40]. The study of sediments in the hydrologic cycle can be divided into the following three processes: (1) production, (2) transport, and (3) deposition. These can be linked to the various liquid-transport phases of the hydrologic cycle. At the catchment level, sediment production by soil particle detachment is primarily the result of raindrop impact. Once detachment has taken place, surface runoff acts to transport sediment downslope, first as overland flow (sheet and rill flow), and eventually as stream and river flow. Deposition of sediment occurs at any point downstream where the kinetic energy of the flow is insufficient to support sediment entrainment in the flowing water. El estudio de los sedimentos en el ciclo hidrológico se puede dividir en los siguientes tres procesos:
Estos procesos pueden estar vinculados a las diversas fases de transporte de líquidos del ciclo hidrológico. En el nivel de captación, la producción de sedimentos es el resultado del desprendimiento de partículas del suelo, principalmente por el impacto de las gotas de lluvia. Una vez que el desprendimiento ha tenido lugar, la escorrentía superficial actúa para transportar el sedimento por la pendiente descendente, primero como flujo superficial (flujo de lámina y arroyuelo), y finalmente como corriente y flujo de río. La deposición de sedimentos ocurre en cualquier punto aguas abajo donde la energía cinética del flujo es insuficiente para soportar el arrastre de sedimentos en el agua que fluye. Sediment production refers to the processes by which sediment is produced, the identification of sediment sources and amounts, and the determination of sediment yields. The source of sediment can usually be traced back to the upland catchments, although these are by no means the only source. In certain cases, streambank erosion in the lower valleys may constitute an important source of sediment. La producción de sedimentos se refiere a los procesos por los cuales éstos son producidos, la identificación de las fuentes y cantidades de sedimentos, y la determinación de los rendimientos de los sedimentos. La fuente del sedimento generalmente se puede remontar a las cuencas de las tierras altas, aunque de ninguna manera son la única fuente. En ciertos casos, la erosión de los bancos de arena en los valles inferiores pueden constituir una importante fuente de sedimentos. Sediment from upland catchments is delivered to streams and rivers, wherein sediment transport takes place. Sediment transport refers to the mechanisms by which sediment is moved downstream by flowing water, either in suspension or by rolling and sliding along the river bottom. Los sedimentos de las cuencas altas son liberados a los arroyos y ríos, y es aquí donde el transporte de sedimentos toma lugar. El transporte de sedimentos se refiere a los mecanismos por los cuales los sedimentos se mueven aguas abajo a través del agua que fluye, ya sea suspendidos, por rodamiento o por deslizamiento a lo largo del fondo del río. The transport of sediment continues in the downstream direction until the flow is no longer able to carry the sediment, at which time sediment deposition occurs. Typically, the first opportunity for sediment deposition is at the entrance to reservoirs and water impoundments, where the flow is decelerated by the action of structures. Deposition is also likely to occur naturally, for instance, downstream of sudden decreases in energy slope or in situations where the capacity of the flow to carry sediment is substantially diminished. In the absence of these natural or human-made features, sediment transport by the flow may continue unabated until it reaches the estuary or ocean, at which time the flow loses its kinetic energy and sediment deposition goes on to contribute to delta growth. El transporte de sedimentos continúa aguas abajo hasta que el flujo ya no es capaz de transortar el sedimento, es aquí donde se produce la deposición de sedimentos. Típicamente, la primera oportunidad para la deposición de sedimentos está en la entrada a los depósitos y embalses de agua, donde el flujo se decelera por la acción de las estructuras. También es probable que la deposición se produzca de forma natural; por ejemplo, aguas abajo por la disminución repentina en la pendiente de energía o en situaciones en las que la capacidad del flujo para transportar los sedimentos se encuentra sustancialmente disminuida. En ausencia de estas características naturales ó aquellas hechas por el hombre, el transporte de sedimentos a través del flujo puede continuar sin cesar hasta llegar a un estuario ó al mar, momento en el cual el flujo pierde su energía cinética y la deposición de sedimentos sirve para contribuir al crecimiento del delta. Sediment Formation Formación de Sedimentos Sediments are the products of disintegration and decomposition of rocks. Disintegration includes all processes by which rocks are broken into smaller pieces without substantial chemical change. The disintegration of rocks is caused either by large temperature changes or by alternate cycles of freezing and thawing. Decomposition refers to the breaking down of mineral components of rocks by chemical reaction. Decomposition includes the follwing processes: (1) carbonation, (2) hydration, (3) oxidation, and (4) solution. Los sedimentos son el producto de la desintegración y la descomposición de las rocas. La desintegración incluye todos los procesos por los que las rocas se rompen en pedazos más pequeños sin cambio químico sustancial. y es causada ya sea por grandes cambios de temperatura ó por ciclos alternos de congelación y descongelación. La descomposición se refiere a la ruptura de los componentes minerales de las rocas por reacción química, e incluye los procesos siguientes: (1) Carbonatación, (2) Hidratación, (3) Oxidación, y (4) Solución. Carbon dioxide (CO2), present in the atmosphere and organic sources, readily unites with water to form carbonic acid (H2CO3). Carbonic acid reacts with feldspars to produce clay minerals, silica, calcite, and other relatively soluble carbonates containing potassium, sodium, iron, and magnesium. The addition of water to many of the minerals present in igneous rocks results in the formation of clay minerals such as aluminum silicates. Many secondary minerals are formed from igneous rocks by oxidation, which is accelerated by the presence of moisture in the air. Solution is another important mechanism in the alteration of igneous rock. Oxygen combines with other elements to form sulfates, carbonates, and nitrates, most of which are relatively soluble. The amount (by weight) of dissolved solids carried by streams in the contiguous United States has been estimated at more than 50 percent of the amount of suspended sediment [32]. El dióxido de carbono (CO2, presente en la atmósfera y fuentes orgánicas, se une fácilmente con el agua para formar ácido carbónico (H 2 CO 3 ). El ácido carbónico reacciona con los feldespatos para producir minerales de arcilla, sílice, calcita y otros carbonatos relativamente solubles que contienen potasio, sodio, hierro y magnesio. La adición de agua a muchos de los minerales presentes en las rocas ígneas da resultado a la formación de minerales de arcilla tales como silicatos de aluminio. Muchos minerales secundarios se forman a partir rocas ígneas por oxidación, que se acelera por la presencia de humedad en el aire. La solution es otro mecanismo importante en la alteración de la roca ígnea. El oxígeno se combina con otros elementos para formar sulfatos, carbonatos y nitratos, la mayoría de los cuales son relativamente solubles. La cantidad (en peso) de sólidos disueltos llevadas por las corrientes en los estados contiguos de Estados Unidos se ha estimado en más de un 50 por ciento de la cantidad de sedimentos suspendidos [32]. Particle Characteristics Características de las Partículas The characteristics of mineral grains help describe the properties of sediments. Among them are: (1) size, (2) shape, (3) specific weight and specific gravity, and (4) fall velocity. Las características de los granos minerales ayudan a describir las propiedades de los sedimentos. Entre ellos se encuentran: (1) tamaño, (2) la forma, (3) el peso específico y la gravedad específica, y (4) velocidad de caída. Size. Particle size is a readily measured sediment characteristic. A widely accepted classification of sediments according to size is shown in Table 15-1. Five groups of sizes are included in this table: (1) boulders and cobbles, (2) gravel, (3) sand, (4) silt, and (5) clay. Boulders and cobbles can be measured individually. Gravel-size particles can be measured individually or by sieving. Sand-size particles are readily measured by sieving. A No. 200 screen is used to separate sand particles from finer particles such as silt and clay. Silt and clay particles are separated by measuring the differences in their rate of fall in still water. Tamaño . El tamaño de partícula es una característica de los sedimentos fácilmente medible. En el cuadro 15-1 se muestra una clasificación de sedimentos ampliamente aceptada según el tamaño. Se incluyen cinco grupos de tamaños en esta tabla: (1) Cantos rodados y adoquines, (2) Grava, (3) Arena, (4) limo y (5) Arcilla. Los cantos rodados y adoquines se pueden medir individualmente. Las partículas de grava se pueden medir individualmente o por tamizado. Las partículas del tamaño de arena se miden fácilmente mediante tamizado. Se usa una pantalla No. 200 para separar partículas de arena de partículas más finas como limo y arcilla. Las partículas de lodo y arcilla se separan midiendo las diferencias en su tasa de caída en agua quieta.
Shape. Particle shape is numerically defined in terms of its sphericity and roundness. True sphericity is the ratio of the surface area of a sphere having the same volume as the particle to the surface area of the particle. The practical difficulty of measuring true sphericity has led to an alternate definition of sphericity as the ratio of the diameter of a sphere having the same volume as the particle (i.e., the nominal diameter) to the diameter of a sphere circumscribing the particle. Accordingly, a sphere has a sphericity of 1, whereas all other shapes have a sphericity of less than 1. Forma . La forma de la partícula se define numéricamente en términos de su esfericidad y redondez. La verdadera esfericidad es la relación entre el área de superficie de una esfera que tiene el mismo volumen que la partícula y el área de la superficie de la partícula. La dificultad práctica de medir la esfericidad verdadera ha llevado a una definición alternativa de esfericidad como la relación del diámetro de una esfera que tiene el mismo volumen que la partícula (es decir, el diámetro nominal) con el diámetro de una esfera que circunscribe la partícula. En consecuencia, una esfera tiene una esfericidad de 1, mientras que todas las otras formas tienen una esfericidad de menos de 1. Roundness is defined as the ratio of the average radius of curvature of the particle edges to the radius of the largest inscribed circle. It refers to the sharpness of the edges of sediment particles and is commonly used as an indicator of particle wear. La redondez se define como la relación entre el radio de curvatura promedio de los bordes de la partícula y el radio del círculo inscrito más grande. Se refiere a la nitidez de los bordes de las partículas de sedimentos y se usa comúnmente como indicador de desgaste de partículas. In sediment studies, the shape factor is often used as an indicator of particle shape: En el estudio de sedimentos, el factor de forma se utiliza normalmente como un indicador de la forma de las partículas:
in which SF = shape factor and a, b, and c are three orthogonal particle length dimensions. According to Corey [12], a is the longest, b is the intermediate, and c is the shortest length dimension. However, according to McNown and Malaika [34], c is measured in the direction of motion, and a and b are perpendicular to c. donde SF = factor de forma y a , b y c son tres dimensiones ortogonales de la longitud de partículas. Según Corey [12], a es la más larga, b es la intermedia, y c es la dimensión de longitud más corta. Sin embargo, de acuerdo con McNown y Malaika [34], c se mide en la dirección del movimiento, y a y b son perpendiculares a c . Specific Weight and Specific Gravity. The specific weight of a sediment particle is its weight per unit volume. The specific gravity of a sediment particle is the ratio of its weight to the weight of an equal volume of water. Most sediment particles consist of either quartz or feldspar, which are about 2.65 times heavier than water. Therefore, the specific gravity of sediments is generally considered to be about 2.65. Exceptions are heavy minerals (for instance, magnetite, with specific gravity of 5.18), but these occur rather infrequently. Peso Específico y Gravedad Específica . El peso específico de una partícula sedimentada es la relación de su peso por unidad de volumen. La gravedad específica de una partícula sedimentada es la relación de su peso al peso de un volumen igual de agua. La mayoría de las partículas de sedimento consisten ya sea cuarzo o feldespato, que son alrededor de 2,65 veces más pesado que el agua. Por lo tanto, la gravedad específica de los sedimentos se considera generalmente que es alrededor de 2,65. Las excepciones son minerales pesados (por ejemplo, la magnetita, con peso específico de 5,18), pero estos ocurren con poca frecuencia. Fall Velocity. The fall velocity of a sediment particle is its terminal rate of settling in still water. Fall velocity is a function of size, shape, and specific weight of the particle, and the specific weight and viscosity of the surrounding water. For spherical particles, the fall velocity (derived from a balance of submerged weight and drag) can be expressed as follows: Velocidad de caída . La velocidad de caída de una partícula de sedimento es su tasa de asentamiento en agua. La velocidad de caída es una función del tamaño, la forma y el peso específico de la partícula, y el peso específico y la viscosidad del agua circundante. Para partículas esféricas, la velocidad de caída (derivada de un equilibrio de peso sumergido y arrastre) se puede expresar de la siguiente manera:
in which w = fall velocity, g = gravitational acceleration, ds = particle diameter, CD = drag coefficient (dimensionless), γs = specific weight of sediment particles, and γ = specific weight of water. Donde:
w = velocidad de caída, The drag coefficient is a function of the particle Reynolds number R, defined as follows: El coeficiente de arrastre es una función del número de Reynolds de partícula R , que se define como sigue:
in which ν = kinematic viscosity of the fluid. For particle Reynolds numbers less than 0.1, the drag coefficient is equal to CD = 24/R. Substituting this value of CD into Eq. 15-2 leads to Stokes' law: en el cual & nu; = viscosidad cinemática del fluido. Para números de Reynolds de partículas menores que 0.1, el coeficiente de arrastre es igual a C D = 24 / R . Sustituyendo este valor de C D en Eq. 15-2 lleva a la ley de Stokes:
For particle Reynolds numbers greater than 0.1, the drag coefficient is still a function of Reynolds number, but the relationship cannot be expressed in analytical form. The relationship of CD versus R for a wide range of particle Reynolds numbers is shown in Fig. 15-1 [38]. Para números de Reynolds de partículas mayores que 0.1, el coeficiente de arrastre sigue siendo una función del número de este, pero la relación no puede expresarse en forma analítica. La relación de C D contra R para un un amplio rango de números de partículas de Reynolds se muestra en la figura 15-1 [38].
In many applications, the drag coefficient is not known a priori;
in this case, an iterative solution is warranted.
A particle Reynolds number is assumed, and the drag coefficient is obtained from
En muchas aplicaciones, el coeficiente de arrastre no se conoce a priori ;
en este caso, se justifica una solución iterativa.
Se asume un número de Reynolds de partícula, y el coeficiente de arrastre se obtiene de
Standard fall velocity. Since fall velocities vary with fluid temperature and viscosity, two particles of the same size, shape, and specific gravity, falling on two fluids of different viscosity, or in the same fluid at different temperatures, will have different fall velocities. To provide a measure of comparison, the concept of standard fall velocity was developed [23]. The standard fall velocity of a particle is the average rate of fall that it would attain if falling alone in quiescent water of infinite extent at the temperature of 24°C. Likewise, the standard fall diameter of a particle is the diameter of an equivalent sphere having the same standard fall velocity and specific gravity. Velocidad de caída estándar. Dado que las velocidades de caída varían con la temperatura y viscosidad del fluido, dos partículas del mismo tamaño, forma y gravedad específica, cayendo sobre dos fluidos de diferente viscosidad, ó en el mismo fluido a diferentes temperaturas, tendrá diferentes velocidades de caída. Para proporcionar una medida de comparación, se desarrolló el concepto de velocidad de caída estándar [23]. La velocidad de caída estándar de una partícula es la tasa promedio de caída que alcanzaría si cae en agua en reposo de extensión infinita a una temperatura de 24 °C; Del mismo modo, el diámetro de una partícula de caída estándar es el de una esfera equivalente que tendría la misma velocidad y gravedad específica. Size Distribution of Sediment Deposits Distribución del tamaño de los depósitos de sedimentos An important property of sediment deposits is the size distribution of its individual particles. Particle size distribution is a key to predicting the behavior of a sediment deposit and estimating its specific weight. A sediment sample containing a wide range of particle sizes is well graded, or poorly sorted. Conversely, a sediment sample consisting of particles in a narrow range of particle sizes is poorly graded, or well sorted. Una propiedad importante de los depósitos de sedimentos es la distribución del tamaño de sus partículas individuales. La distribución del tamaño de partículas es clave para predecir el comportamiento de un depósito de sedimentos y estimar su peso específico. Una muestra de sedimento que contiene un amplio rango de tamaños de partículas está bien graduada o mal clasificada. Por el contrario, una muestra de sedimento que consta de partículas en un rango estrecho de tamaños de partículas está mal graduada o bien clasificada. The size distribution of sediments can be measured in several ways. The coarsest fraction can be separated by direct measurement for boulders and cobbles and by sieving for sands and gravels. For most applications involving sediments in the sand size, the visual accumulation (VA) tube is a fast, economical, and accurate method of determining the size distribution of sediment samples. In the VA tube method, the particles start falling from a common source and become stratified according to their relative settling velocities. At a given instant, the particles coming to rest at the bottom of the tube are of a certain sedimentation size, finer than particles that have already settled and coarser than those still remaining in suspension. See [19] for a description of laboratory methods for sediment analysis. La distribución del tamaño de los sedimentos se puede medir de varias maneras. La fracción más gruesa se puede separar por medición directa de cantos rodados y adoquines, y tamizando arena y grava. Para la mayoría de las aplicaciones que involucran sedimentos en el tamaño de la arena, el tubo de acumulación visual (AV) es un método rápido, económico y preciso para determinar la distribución del tamaño de las muestras de sedimentos. En el método del tubo VA, las partículas comienzan a caer desde una fuente común y se estratifican de acuerdo con sus velocidades relativas de sedimentación. En un instante dado, las partículas que se detienen en el fondo del tubo tienen un cierto tamaño de sedimentación , más fino que las partículas que ya se han asentado y más gruesas que las que aún permanecen en suspensión. Ver [19] para una descripción de los métodos de laboratorio para el análisis de sedimentos. Specific Weight of Sediment Deposits Peso específico de los depósitos de sedimentos The specific weight of a sediment deposit is the dry weight of sedimentary material per unit volume. Due to the voids between sediment particles, the specific weight of a sediment deposit is always less than the specific weight of individual particles. A knowledge of the specific weight of a sediment deposit allows the conversion of sediment weights to sediment volumes and vice versa. In particular, the specific weight of a sediment deposit is useful in studies of reservoir storage depletion by deposition of fluvial sediments. El peso específico de un depósito de sedimentos es el peso seco del material sedimentado por unidad de volumen. Debido a los vacíos entre las partículas sedimentadas, el peso específico de un depósito es siempre menor que el peso específico de las partículas individuales. El conocimiento del peso específico de un depósito de sedimentos permite la conversión de pesos de sedimentos a volúmenes de sedimentos y viceversa. En particular, el peso específico de un depósito es útil en los estudios de agotamiento de almacenamiento de yacimientos por deposición de sedimentos fluviales. Factors influencing the specific weight of a sediment deposit are: (1) its mechanical composition, (2) the environment in which the deposits are formed, and (3) time. Coarse materials, e.g., boulders, gravel, and coarse sand, are deposited with specific weights very nearly equal to their ultimate value and change very little with time. However, fine materials such as silts and clays may have initial specific weights that are only a fraction of their ultimate value. Los factores que influyen en el peso específico de un depósito de sedimentos son: (1) su composición mecánica, (2) el medio ambiente en que se forman los depósitos, y (3) tiempo. Los materiales gruesos, por ejemplo, cantos rodados, grava y arena gruesa, se depositan con pesos específicos muy cercanos a su valor final y cambian muy poco con el tiempo. Sin embargo, materiales finos como limos y arcillas pueden tener pesos iniciales específicos que son solo una fracción de su valor final Lane and Koelzer [29] have developed an empirical relationship to account for the variation of the specific weight of sediment deposits in reservoirs with time. Their relationship is: Lane y Koelzer [29] han desarrollado una relación empírica para dar cuenta de la variación del peso específico de los depósitos de sedimentos en reservorios con el tiempo. Su relación es:
in which W = specific weight of the deposit after T years; W1 = initial specific weight of the deposit, measured after 1 y of consolidation; and B = a constant. Table 15-2 shows values of W1 and B as a function of sediment size and mode of reservoir operation. For mixed deposits, a weighted average of specific weight is appropriate. Donde W = peso específico del depósito después de T años; W1 = peso específico inicial del depósito, medida después de 1 año de consolidación; y B = una constante. La Tabla 15-2 muestra los valores de W1 y B en función del tamaño de los sedimentos y el modo de operación del yacimiento Para los depósitos mixtos, una media ponderada del peso específico es apropiado.
Drying or aeration of a sediment deposit helps to accelerate consolidation through removal of the water from the pore spaces. Table 15-3 shows the effect of aeration on the specific weight of sediment deposits for several types of soil mixtures [18]. El secado o la aireación de un depósito de sedimentos ayuda a acelerar la consolidación a través de la eliminación del agua de los espacios de los poros. La Tabla 15.3 muestra el efecto de la aireación en el peso específico de los depósitos de sedimentos para varios tipos de mezclas de tierra [18].
15.2 LA PRODUCCIÓN DE SEDIMENTOS
The presence of sediment in streams and rivers has its origin in soil erosion. Erosion encompasses a series of complex and interrelated natural processes that have the effect of loosening and moving away soil and rock materials under the action of water, wind, and other geologic factors. In the long term, the effect of erosion is the denudation of the land surface, i.e., the removal of soil and rock particles from exposed surfaces, their transport to lower elevations, and eventual deposition. La presencia de sedimentos en arroyos y ríos tiene su origen en la erosión del suelo. La erosión abarca una serie de procesos naturales complejos e interrelacionados que tienen el efecto de aflojar y alejar del suelo los materiales rocosos bajo la acción del agua, el viento y otros factores geológicos. A largo plazo, el efecto de la erosión es la denudación de la superficie de la tierra, es decir; la remoción del suelo y las partículas de roca expuestas de superficies, su transporte a elevaciones más bajas y la eventual deposición. The rate of landscape denudation can be quantified from a geological perspective. For instance, the number of centimeters of denudation per 1000 y can be used as a measure of the erosive activity of a region. Geologic measures of landscape denudation appear insignificant when compared to the typical timespan of human activity, say 25 to 100 y. However, the quantities of sediment moved may be important when considering the impact that sediment loads have on the operation and design life of reservoirs and hydraulic structures. La tasa de denudación del paisaje se puede cuantificar desde una perspectiva geológica. Por ejemplo, el número de centímetros de denudación por 1000 y puede ser usado como una medida de la actividad erosiva de una región. Las medidas geológicas de la denudación del paisaje aparecen insignificantes en comparación con el período de tiempo típico de la actividad humana, digamos 25 a 100 años. Sin embargo, las cantidades de sedimento movidas pueden ser importantes cuando se considera el impacto que las cargas de sedimentos tienen en la operación y vida de diseño de embalses y estructuras hidráulicas. At the outset of the study of sediment production, a distinction should be made between the amount of sediment eroded at the source(s) and the amount of sediment delivered to a downstream point. Gross sediment production refers to the amount of sediment eroded and removed from the source(s). Sediment yield refers to the actual delivery of eroded soil particles to a given downstream point. Since eroded particles may be deposited before they reach the downstream point of interest, sediment yield quantities are generally less than gross sediment production quantities. The ratio of sediment yield to gross sediment production is the sediment delivery ratio (SDR). Al comienzo del estudio de la producción de sedimentos, se debe hacer una distinción entre la cantidad de sedimentos erosionados en la fuente (s) y la cantidad de sedimento entregado a un punto aguas abajo. Producción bruta de sedimentos se refiere a la cantidad de sedimento erosionado y eliminado de la fuente (s). Rendimiento de sedimentos se refiere a la entrega real de partículas erosionadas del suelo a un punto dado aguas abajo. Dado que las partículas erosionadas pueden depositarse antes de que lleguen al punto de interés aguas abajo, las cantidades de rendimiento de sedimentos son generalmente inferiores a las de producción de sedimento brutas. La relación entre el rendimiento y la producción bruta de sedimentos es la tasa de distribución de sedimentos (SDR). Gross sediment production is commonly measured in terms of weight of sediment per unit drainage area per unit time-for instance, metric tons per hectare per year, or tons per acre per year. Sediment yield is expressed in terms of weight per unit time past a certain point; for instance, metric tons per day at the catchment outlet. La producción bruta de sedimentos se mide comúnmente en términos del peso del sedimento por unidad de área de drenado por unidad tiempo, por ejemplo toneladas métricas por hectárea al año, o toneladas por acre al año. El rendimiento de sedimentos se expresa en términos de peso por unidad de tiempo después de cierto punto; por ejemplo, toneladas métricas por día en la toma de captación. Erosión Normal y Acelerada According to the timespan involved, erosion may be classified as: (1) normal, or geologic, and (2) accelerated, or human-induced. Normal erosion has been occurring at variable rates since the first solid materials formed on the surface of the earth. Normal erosion is extremely slow in most places and is largely a function of climate, parent rocks, precipitation, topography, and vegetative cover. Accelerated erosion occurs at a much faster rate than normal, usually through reduction of vegetative cover. Deforestation, overgrazing, overcultivation, urban sprawl, and the systematic destruction of natural vegetation result in accelerated erosion. Según el intervalo de tiempo involucrado, la erosión se puede clasificar como: (1) normal ó geológica, y (2) acelerada ó inducida por el hombre. La erosión normal se ha producido a tasas variables desde que se formaron los primeros materiales sólidos en la superficie de la tierra. Es extremadamente lenta en la mayoría de los lugares y es en gran parte una función del clima, las rocas madre, la precipitación, topografía y la cubierta vegetal. La erosión acelerada ocurre a un ritmo mucho más rápido que lo normal, generalmente a través de la reducción de la cubierta vegetal. La deforestación, el sobrepastoreo, el sobrecultivo, la expansión urbana y la destrucción sistemática de la vegetación natural resulta en una erosión acelerada. Fuentes de Sedimentos According to its source, erosion may be classified as: (1) sheet erosion, (2) rill erosion, (3) gully erosion, and (4) channel erosion. Sheet erosion is the wearing away of a thin layer on the land surface, primarily by overland flow. Rill erosion is the removal of soil by small concentrations of flowing water (rills). Gully erosion is the removal of soil from incipient channels that are large enough so that they cannot be removed by normal cultivation. Channel erosion refers to erosion occurring in stream channels in the form of streambank erosion or streambed degradation. For practical purposes, a distinction is made between upland and channel erosion. Upland erosion is mostly made up of sheet and rill erosion, whereas channel erosion encompasses all other sediment sources, specifically excluding sheet and rill erosion. De acuerdo con su fuente, la erosión puede clasificarse como: (1) erosión de lámina, (2) erosión del arroyo, (3) erosión de barranca, y (4) erosión de canal. La erosión de lámina es el desgaste de una capa delgada en la superficie de la tierra, principalmente por el flujo superficial. La erosión de arroyo es la eliminación del suelo por pequeñas concentraciones de agua que fluye (arroyos). La erosión de barranca es la eliminación del suelo de los canales incipientes que son lo suficientemente grandes para que no se puedan eliminar por cultivo normal. La erosión de canal se refiere a la erosión que se produce en los canales de la corriente en forma de streambank erosión o degradación del lecho. A efectos prácticos, se hace una distinción entre la erosión de meseta y de canales. La erosión de meseta se compone principalmente de la erosión de surcos, mientras que la erosión de canales abarca todos las demás fuentes de sedimentos, excluyendo específicamente la erosión de surcos. Upland Erosion and the Universal Soil Loss Equation Erosión de Meseta y la Ecuación Universal de Pérdida de Suelos In the United States, the prediction of upland erosion (i.e., sheet and rill erosion) is commonly made by the Universal Soil Loss Equation (USLE), developed by the USDA Agricultural Research Service in cooperation with the USDA Soil Conservation Service (now Natural Resources Conservation Service) and certain state experiment stations. En los Estados Unidos, la predicción de la erosión de la mesetas (es decir, la erosión de capas y riachuelos) se realiza comúnmente con la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo (Universal Soil Loss Equation [USLE]), desarrollada por el Servicio de Investigación Agrícola (USDA, Agricultural Research Service) en cooperación con el Servicio de Conservación de Suelos (USDA, Soil Conservation Service; ahora Servicio de Conservación de Recusos Naturales) y ciertas estaciones experimentales estatales. The universal soil loss equation is [46]: La ecuación universal de la pérdida de suelo es [46]:
in which A = (annual) soil loss due to sheet and rill erosion in tons per acre per year: R = rainfall factor; K = soil erodibility factor; L = slope-length factor; S = slope-gradient factor; C = crop management factor; and P = erosion control practice factor. En el que A = (anual) la pérdida de suelo debido a la erosión de las capas y riachuelos en toneladas por acre al año: R = factor de precipitación; K = factor de erosionabilidad del suelo; L = factor de pendiente-longitud; S = factor de gradiente de la pendiente; C = factor de manejo de los cultivos; y p = factor de la práctica de control de la erosión. Rainfall Factor. When factors other than rainfall are held constant, soil losses from cultivated fields are shown to be directly proportional to the product of the storm's total kinetic energy E and its maximum 30-minute intensity I. The product EI reflects the combined potential of raindrop impact and runoff turbulence to transport dislodged soil particles. Factor de precipitación . Cuando los factores distintos de la lluvia se mantienen constantes, las pérdidas de suelo de los campos cultivados son directamente proporcionales al producto de la energía cinética total de la tormenta E y su máxima Intensidad de 30 minutos I . El producto EI refleja el potencial combinado del impacto de la lluvia y la tubulencia de la escorrentía para transportar las partículas del suelo desalojadas. The sum of EI products for a given year is an index of the erosivity of all rainfall for that year. The rainfall factor R is the average value of the series of annual sums of EI products. Values of R applicable to the contiguous United States are shown in Fig. 15-2. La suma del producto de EI para un año determinado es el índice de la erosión de todas las precipitaciones para ese año. El factor de precipitación R es el valor medio de la serie de sumas anuales del producto de EI . Los valores de R aplicables a los estados contiguos de los Estados Unidos se muestran en la Fig. 15-2.
Soil Erodibility Factor. The soil erodibility factor K is a measure of the resistance of a soil surface to erosion. It is defined as the amount of soil loss (in tons per acre per year) per unit of rainfall factor R from a unit plot. A unit plot is 72.6 ft long, with a uniform lengthwise gradient of 9 percent, in continuous fallow, tilled up and down the slope. Factor de erosionabilidad del suelo . El factor de erosionabilidad del suelo K es una medida de la resistencia a la erosión de la superficie del suelo. Se define como la cantidad de pérdida de suelo (en toneladas por acre al año) por unidad de factor de lluvia R de una unidad de parcela . Una unidad de parcela mide 72.6 pies de largo, con un gradiente longitudinal uniforme del 9 por ciento, en barbecho continuo, labrado y abajo de la pendiente. Values of K for 23 major soils on which erosion plot studies were conducted since 1930 are listed in Table 15-4. Soil erodibility factors for other soils have been estimated by comparing their characteristics with those of the 23 soils listed in Table 15-4. A method for determining the soil erodibility factor based on soil characteristics has been proposed by Wischmeier et al. [47]. Los valores de K para los 23 principales suelos en los que se realizaron los estudios de trazado de erosión desde 1930 se enumeran en la Tabla 15-4. Los Factores de erosión para otros suelos se han comparado con las características de los 23 suelos listados en esta tabla. Un método para determinar el factor de erosión en base a las características del suelo ha sido propuesto por Wischmeier y otros. [47].
Slope-length and Slope-gradient Factors. The rate of soil erosion by flowing water is a function of slope length (L) and gradient (S). For practical purposes, these two topographic characteristics are combined into a single topographic factor (LS). The topographic factor is defined as the ratio of soil loss from a slope of given length and gradient to the soil loss from the unit plot (of 72.6 ft length and 9 percent gradient). Figure 15-3 shows values of LS as a function of slope length and gradient. Longitud de pendiente y factires de gradiente de pendiente. La tasa de erosión del suelo por el agua es una función de la longitud de la pendiente (L) y del gradiente (S). Para fines prácticos, estas dos características topográficas se combinan en un solo factor (LS), este factor topográfico se define como la relación de pérdida del suelo de una pendiente de longitud y gradiente dado, a la pérdida del suelo de una parcela unitaria (de 72,6 ft longitud y 9 por ciento de gradiente). La figura 15.3 muestra los valores de LS como una función de longitud de la pendiente y el gradiente.
Crop-management Factor. The crop-management factor C is defined as the ratio of soil loss from a certain combination of vegetative cover and management practice to the soil loss resulting from tilled, continuous fallow. Values of C range from as little as 0.0001 for undisturbed forest land to a maximum of 1.0 for disturbed areas with no vegetation. Values of C for cropland are estimated on a local basis. Table 15-5 shows values of C for permanent pasture, grazed forest land, range, and idle land. Table 15-6 shows values of C for undisturbed forest land. Factor de Manejo de cultivo. El factor de manejo del cultivo C se define como la relación entre la pérdida de suelo de una cierta combinación de la cubierta vegetal y a la pérdida de suelo resultante del barbecho continuo labrado. El rango de valores de C varían desde pequeños valores de 0,0001 para tierras forestales inalteradas hasta un máximo de 1.0 para las áreas alteradas sin vegetación. Los valores de C de las tierras de cultivo se estiman sobre una base local. La Tabla 15-5 muestra los valores de C para pastizales permanentes, tierras de pastoreo, pastos y tierras ociosas. La Tabla 15-6 muestra valores de C para tierras forestales sin perturbaciones.
Erosion Control Practice Factor. The erosion control practice factor P is defined as the ratio of soil loss under a certain erosion-control practice to the soil loss resulting from straight-row farming. Practices for which P have been established are contouring and contour strip-cropping. In contour strip-cropping, strips of sod or meadow are alternated with strips of row crops or small grains. Values of P used for contour strip-cropping are also used for contour-irrigated furrows. Table 15-7 shows values of P for contour-farmed terrace fields. Factor de práctica de control de la erosión 'P' . Se define como la relación entre la pérdida de suelo bajo una determinada práctica de control de la erosión y la pérdida de suelo resultante del cultivo en hileras. Prácticas para las cuales los valores de P que han sido establecidos son de contorno y curva de contorno. En el cultivo de contorno, tiras de césped o prado se alternan con franjas de cultivos en hileras o pequeños granos. Los valores de P empleados para cultivo de contornos también se utilizan para los cultivos de surcos-contorno de regadío. La Tabla 15-7 muestra los valores de P para los campos de terrazas de cultivo de contorno.
Use of the Universal Soil Loss Equation (USLE). The USLE computes upland erosion from small watersheds on an average annual basis. It includes the detachment and transport components, but it does not account for the deposition component. Therefore, the USLE cannot be used to compute sediment yield. For example, in a 1000-mi2 drainage basin, only 5 percent of the soil loss computed by the USLE may appear as sediment yield at the basin outlet. The remaining 95 percent is redistributed on uplands or flood plains and does not constitute a net soil loss from the drainage basin. Uso de la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo (USLE) . La USLE calcula la erosión de las tierras altas de pequeñas cuencas hidrográficas sobre una base anual promedio. Incluye los componentes de desprendimiento y transporte, pero no representa el componente de deposición. Por lo tanto, la USLE no se puede usar para calcular el rendimiento de sedimentos. Por ejemplo, en un cuenco de drenaje de 1000 mi 2, solo el 5% de la pérdida de suelo calculada por la USLE puede aparecer como rendimiento de sedimento en la salida de la cuenca. El 95 por ciento restante se redistribuye en las tierras altas o llanuras de inundación y no constituye una pérdida neta de suelo de la cuenca de drenado.
Erosión de Canal Channel erosion includes gully erosion, streambank erosion, streambed degradation, floodplain scour, and other sources of sediment, excluding upland erosion. Gullies are incipient channels in process of development. Gully growth is usually accelerated by severe climatic events, improper land use, or changes in stream base levels. Most of the significant gully activity, in terms of the quantities of sediment produced and delivered to downstream locations, is found in regions of moderate to steep topography having thick soil mantles. The total sediment outflow from gullies is usually less than sheet and rill erosion [33]. La erosión de canal incluye la erosión de cárcavas, la erosión del lecho de los ríos, la degradación del lecho, la erosión de las llanuras aluviales y otras fuentes de sedimentos, se exluye la erosión de las tierras altas. Los barrancos son canales incipientes en proceso de desarrollo. El crecimiento de las cárcavas generalmente se ve acelerado por eventos climáticos severos, el uso inapropiado de la tierra o cambios en los niveles de la base de la corriente. La mayor parte de la actividad de cárcamo significativa, en términos de las cantidades de sedimentos producidos y entregados en lugares río abajo se encuentra en regiones de topografía moderada a empinada con mantos gruesos de suelo. La salida total de sedimentos de las cárcavas suele ser menor que la erosión de la lámina y surco [33]. Streambank erosion and streambed degradation can be significant in certain cases. Changes in channel alignment and/or removal of natural vegetation from stream banks may cause increased bank erosion. Streambed degradation, typically downstream of reservoirs, can also constitute an additional source of sediment (Fig. 15-4). La erosión del lecho de ríos y la degradación de cauce pueden ser importantes en ciertos casos. Los cambios en la alineación de los canales y/o la eliminación de la vegetación natural de los bancos de arroyos pueden causar una mayor erosión de los bancos. La degradación del lecho de arroyos, típicamente aguas abajo de los embalses, también puede constituir una fuente adicional de sedimentos (figura 15-4).
Methods for determining soil loss due to the various types of channel erosion include the following: (1) comparing aerial photographs taken at different times to assess the growth rate of channels, (2) performing river cross-sectional surveys to determine changes in cross-sectional area, (3) assembling historical data to determine the average age and growth rate of channels, and (4) performing field studies to evaluate the annual growth rate of channels. Los métodos para determinar la pérdida de suelo debido a los diferentes tipos de erosión de canal son:
Field surveys can often provide sufficient data to estimate streambank erosion as follows [44]: Los estudios de campo a menudo pueden proporcionar datos suficientes para estimar la erosión del banco de arena de la siguiente manera [44]:
in which S = annual volume of streambank erosion; H = average height of bank; L = length of eroded bank, each side of channel if both sides are eroding; and R = annual rate of bank recession (net rate if one side is eroding while the other is depositing). En donde :
S = volumen anual de erosión del banco; Streambed degradation can be estimated as follows [44]: La degradación del lecho se puede estimar de la siguiente manera [44]:
in which S = annual volume of streambed degradation; W = average bottom width of degrading channel reach; L = length of degrading channel reach; and D = annual rate of streambed degradation. En el que:
S = volumen anual de la degradación del cauce; Accelerated Erosion Due to Strip-mining and Construction Activities Erosión acelerada debido a las actividades de Minería y Construcción Strip-mining and construction activities greatly accelerate erosion rates. For instance, Collier et al. [10] found that a watershed with 10.4 percent of its area strip-mined eroded 76 times more sediment than a similar undisturbed watershed. Wolman and Shick [48] found that sediment concentrations in streams draining construction areas ranged from 3000 to 150,000 ppm, compared to concentrations of 2000 ppm in comparable natural settings. These studies indicate that human-induced land disturbances have a substantial impact on sediment production. With a careful choice of factors, the USLE can be used to compute soil loss from disturbed lands. Las actividades de minería y construcción aceleran enormemente las tasas de erosión. Por ejemplo, Collier y otros [10] descubrieron que una cuenca hidrográfica con un 10.4 por ciento de su superficie extraída de la mina erosionó 76 veces más sedimento que una cuenca hidrográfica similar sin perturbación. Wolman y Shick [48] encontraron que las concentraciones de sedimentos en las corrientes que drenan las áreas de construcción oscilaban entre 3000 y 150,000 ppm, en comparación con las concentraciones de 2000 ppm en entornos naturales comparables. Estos estudios indican que las perturbaciones de la tierra inducidas por el hombre tienen un impacto sustancial en la producción de sedimentos. Con una elección cuidadosa de factores, la USLE se puede usar para calcular la pérdida de suelo de tierras alteradas. Sediment Yield Rendimiento de los sedimentos In engineering applications, the quantity of sediment eroded at the sources is not as important as the quantity of sediment delivered to a downstream point, i.e., the sediment yield. En aplicaciones de ingeniería, la cantidad de sedimento erosionado en las fuentes no es tan importante como la cantidad de sedimento entregado a un punto aguas abajo, es decir; el rendimiento de los sedimentos. The sediment yield is calculated by multiplying the gross sediment production, which includes all types of erosion (sheet, rill, gully, and channel erosion) by a sediment delivery ratio that varies in the range 0 to 1 (it can also be expressed as a percentage). Therefore, a calculation of sediment yield hinges upon an estimate of gross sediment production (from the various sources) and an appropriate sediment delivery ratio. El rendimiento de sedimentos se calcula multiplicando la producción bruta de sedimentos, que incluye todos los tipos de erosión (erosión de lámina, arroyo, barranca, y canal) por una relación de entrega de sedimentos que varía en el rango de 0 a 1 (también se puede expresar como un porcentaje). Por lo tanto, un cálculo del rendimiento de sedimentos depende de una estimación de la producción bruta de sedimentos (de las diversos fuentes) y una relación apropiada de entrega de sedimentos. Sediment Delivery Ratio Relación de entrega de sedimentos (SDR) The sediment delivery ratio (SDR) is a function of the following factors: (1) sediment source, (2) proximity of sediment source to the fluvial transport system, (3) density and condition of the fluvial transport system, (4) sediment size and texture, and (5) catchment characteristics. La relación de distribución de los sedimentos (SDR) esta en función de los siguientes factores: (1) la fuente de sedimentos, (2) la proximidad de la fuente de los sedimentos en el sistema de transporte fluvial, (3) la densidad y el estado del sistema de transporte fluvial, (4) del tamaño de los sedimentos y su textura, y (5) las características de la cuenca. The sediment source has an influence on the delivery ratio. Not all sediments originating in sheet and rill erosion are likely to enter the fluvial transport system; however, sediments produced by channel erosion are generally closer to the transport system and are more likely to be delivered to downstream points. The proximity of the sediment source to the transport system is also an important variable in the estimation of the SDR. The amounts of sediment delivered to downstream points will depend to a large extent on the ability of the fluvial transport system to entrain and hold on to the sediment particles. Silt and clay particles can be transported much more readily than sand particles; therefore, the delivery of silts and clays is more likely to occur than that of sands. Catchment characteristics also affect sediment delivery ratios. High relief often indicates both a high erosion rate and a high SDR. High channel density is usually an indication of an efficient transport system and, consequently, of a high SDR. La fuente de los sedimentos tiene una influencia sobre la relación de entrega de sedimentos. No todos los sedimentos procedentes de la erosión laminar y arroyos son propensos a entrar en el sistema de transporte fluvial; Sin embargo, los sedimentos producidos por la erosión de canal están generalmente más cerca del sistema de transporte y son más propensos a ser entregados aguas abajo. La proximidad de la fuente de sedimentos al sistema de transporte también es una variable importante en la estimación del SDR. Las cantidades de sedimentos entregados aguas abajo dependerán en gran medida de la capacidad del sistema del transporte fluvial para arrastrar y aferrarse a las partículas de sedimento. Las partículas de limo y arcilla se pueden transportar más fácilmente que las partículas de arena, por lo tanto; es más probable que ocurra la entrega de limos y arcillas que de arenas. Las características de la cuenca también afectan la relación de entrega de sedimentos. Un alto relieve a menudo indica tanto una alta tasa de erosión como de un alto SDR. La alta densidad de canales es generalmente una indicación de un sistema de transporte eficiente y, por consiguiente; de un alto SDR. Estimation of Sediment Delivery Ratios. The SDR is the ratio of sediment yield to gross sediment production. Sediment yield can be evaluated by one of several methods. At reservoir locations, estimates of sediment yield can be obtained by reservoir sedimentation surveys. Alternatively, sediment yield can be evaluated by direct measurement of sediment load at the point of interest. Estimates of gross sediment production from upland sources can be obtained using either the USLE formula or a regionally derived formula for sheet and rill erosion. When warranted, this estimate can be augmented by field estimates of gully and channel erosion. Estimación de Coeficientes de sedimentos de entrega . El SDR es la relación entre el rendimiento de los sedimentos y la producción bruta de sedimentos. La producción de sedimentos puede ser evaluada por uno de los varios métodos. En los sitios de depósito, las estimaciones de la producción de sedimentos se pueden obtener a través de levantamientos de campo de los sedimentos del yacimiento. Alternativamente, la producción de sedimentos puede ser evaluada por la medición directa de la carga de sedimentos en el punto de interés. Las estimaciones de la producción bruta de sedimentos de fuentes de tierras altas se pueden obtener utilizando la fórmula USLE o una fórmula derivada de canal y arroyo. Cuando se justifique, esta estimación puede ser aumentada por las estimaciones de la erosión de barranco y canal.
In the absence of actual measurements, statistical analysis can be used to develop regional regression equations to predict SDR.
The simplest SDR prediction equation is that based solely on drainage area, as shown in Fig. 15-4.
This figure shows that SDR varies approximately in inverse proportion to the 1/5 power of the drainage area.
Other sources, however, have quoted values of this power as low as 1/8 [2].
The fact remains that the greater the drainage area, the smaller the catchment relief and the greater the chances
for sediment deposition within the catchment;
consequently, the smaller the catchment's SDR.
Rough estimates of SDR can be obtained from
En ausencia de mediciones reales, se puede emplear el análisis estadístico para desarrollar ecuaciones de regresión
para predecir el SDR.
La ecuación de predicción SDR más simple es la que basa únicamente en el área de drenado, como se muestra en la Fig. 15-4.
Esta figura muestra que el SDR varía aproximadamente en proporción inversa a la potencia 1/5 del área de drenado.
Otras fuentes, sin embargo; tienen valores tan bajos como 1/8 [2].
El hecho es que cuanto mayor sea el área de drenado, menor será el alivio de captación y mayores serán las
posibilidades para la deposición de sedimentos dentro de la cuenca; en consecuencia, menor el SDR de captación.
Los cálculos aproximados del SDR se pueden obtener de
An example of the use of statistical analysis for the estimation of sediment delivery ratios is given by Roehl [37]. Using data from the southeast Piedmont region of the United States, he developed the following predictive equation: Un ejemplo del uso del análisis estadístico para la estimación de los coeficientes de descarga de sedimentos está dada por Roehl [37]. Utilizando datos de la región de Piamonte al sureste de los Estados Unidos, desarrolló la siguiente ecuación predictiva:
in which SDR = sediment-delivery ratio, in percentage; A = drainage area, in square miles; L/R = dimensionless ratio of catchment length-to-relief (length measured parallel to main drainageway, relief measured as the elevation difference between drainage divide and outlet); and B = weighted mean bifurcation ratio, defined as the ratio of the number of streams in a given order to the number of streams in the next higher order. Values of SDR measured by Roehl in the Piedmont area were in the range 3.7 to 59.4 percent. Donde:
Empirical Formulas for Sediment Yield Fórmulas empíricas para el rendimiento de sedimentos
As with the SDRs, statistical analysis can be used to develop regional equations for the prediction of sediment yield. A study by Dendy and Bolton [13] showed that sediment yield can be related to catchment area and mean annual runoff. Así como el SDR, el análisis estadístico se puede utilizar para desarrollar ecuaciones regionales para la predicción del rendimiento de los sedimentos. Un estudio realizado por Dendy y Bolton [13] mostró que la producción de sedimentos puede estar relacionado con el área de influencia y la media de la escorrentía anual. Sediment Yield versus Drainage Area. Dendy and Bolton studied sedimentation data from about 1500 reservoirs, ponds, and sediment detention basins. In developing their formulas, they used data from about 800 of these reservoirs with drainage areas greater than or equal to 1 mi2. The smaller watersheds (those of drainage area less than 1 mi2) were excluded because of their large variability of sediment yield, reflecting the diverse effects of soils, local terrain, vegetation, land use, and agricultural practices. Rendimiento de sedimentos contra el área de drenado . Dendy y Bolton estudiaron los datos de sedimentación de aproximadamente 1.500 cuencas, embalses, estanques, y cuencas de retención de sedimentos. En el desarrollo de sus fórmulas, utilizaron datos de alreddor de 800 de estos embalses con áreas de drenado mayor o igual a 1 mi 2. Las cuencas más pequeñas (áreas de drenado menores a 1 mi 2) fueron excluidas debido a su gran variabilidad en el rendimiento de sedimentos, reflejando los efector diversos de los suelos, del terreno local, la vegetación, del uso de la tierra y las prácticas agrícolas. For drainage areas between 1 and 30,000 mi2, Dendy and Bolton found that the annual sediment yield per unit area was inversely related to the 0.16 power of the drainage area: Para áreas de drenado entre 1 y 30.000 millas2, Dendy y Bolton encontraron que el rendimiento anual de sedimentos por unidad de superficie fue inversamente proporcional a la potencia 0,16 de la zona de drenado:
in which S = sediment yield in tons per square mile per year; SR = reference sediment yield corresponding to a 1-mi2 drainage area. equal to 1645 tons per year; A = drainage area in square miles; and AR = reference drainage area (1 mi2). En donde:
Sediment Yield versus Mean Annual Runoff. Dendy and Bolton studied sedimentation data from 505 reservoirs having mean annual runoff data. Annual sediment yield per unit area was shown to increase sharply as mean annual runoff Q increased from 0 to 2 in. Thereafter, for mean annual runoff from 2 to 50 in. annual sediment yield per unit area decreased exponentially. This led to the following equations. Rendimiento de los sedimentos frente a la escorrentía anual media . Dendy y Bolton estudiaron datos de sedimentación de 505 reservorios con datos promedio de escorrentía anual. Se demostró que el rendimiento anual de sedimentos por unidad de área aumentaba considerablemente a medida que la escorrentía anual media Q aumentó de 0 a 2 pulgadas. A partir de entonces, el escurrimiento anual promedio es de 2 a 50 pulgadas. El rendimiento anual de sedimentos por unidad de área disminuyó exponencialmente. Esto llevó a las siguientes ecuaciones. Para Q < 2 pulgadas.:
Para Q ≥ 2 in:
Donde QR = reference mean annual runoff, QR = 2 in. en el que QR = Escorrentía media anual de referencia, QR = 2 pulgadas. Dendy and Bolton combined Eqs. 15-10 and 15-11 into a set of equations to express sediment yield in terms of drainage area and mean annual runoff. Dendy y Bolton combinaron las ecs. 15-10 y 15-11 en un conjunto de ecuaciones para expresar el rendimiento del sedimento en términos del área de drenado y la escorrentía anual media. Para Q < 2 pulgadas.:
Para Q ≥ 2 pulgadas.:
Para SR = 1645 ton/mi2/y, QR = 2 pulg, y AR = 1 mi2, la ec. 15-12 se reduce a: Para Q < 2 pulgadas.:
Para Q ≥ 2 in.:
Equations 5-12 and 5-13 are based on average values of grouped data; therefore, they should be used with caution. In certain cases, local factors such as soils, geology, topography, land use, and vegetation may have a greater influence on sediment yield than either mean annual runoff or drainage area. Nevertheless, these equations provide a first approximation to the regional assessment of sediment yield for watershed planning purposes. Las ecuaciones 5-12 y 5-13 se basan en valores promedio de datos agrupados; por lo tanto, deben ser utilizados con precaución. En ciertos casos, los factores locales como los suelos, la geología, la topografía, el uso del suelo y la vegetación pueden tener una mayor influencia en el rendimiento de los sedimentos que la escorrentía media anual o el área de drenaje. Sin embargo, estas ecuaciones proporcionan una primera aproximación a la evaluación regional del rendimiento de sedimentos para propósitos de planificación de cuencas hidrográficas.
Other widely used sediment yield prediction formulas are the modified universal soil loss equation (MUSLE), developed by Williams [45], and the Flaxman formula [17]. Unlike the USLE, which is based on annual values, the MUSLE is intended for use with individual storms. The Flaxman formula was developed using data from the western United States and is therefore particularly applicable to that region. Otras fórmulas ampliamente usadas para la producción de sedimentos son: la ecuación de pérdida de suelo universal modificada (MUSLE) desarrollada por Williams [45] y, la fórmula de Flaxman [17]. A diferencia del USLE, que se basa en valores anuales, el MUSLE está diseñado para usarse con tormentas individuales. La fórmula de Flaxman fue desarrollada usando datos del oeste de los Estados Unidos y por lo tanto es particularmente aplicable a esa región. ` 15.3 EL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
Sediment transport refers to the entraInment and movement of sediment by flowing water. An understanding of the principles of sediment transport is essential for the interpretation and solution of many hydraulic, hydrologic, and water resources engineering problems. El transporte de sedimentos se refiere al arrastre y movimiento de sedimentos por el agua que fluye. La comprensión de los principios del transporte de sedimentos es esencial para la interpretación y solución de muchos sistemas hidráulicos, problemas hidrológicos y de ingeniería de recursos hídricos. The study of sediment transport can be divided into: (1) sediment transport mechanics, (2) sediment transport prediction, and (3) sediment routing. Sediment transport mechanics refers to the fundamental processes by which sediment is entrained and transported by flowing water. Sediment transport prediction refers to the methods and techniques to predict the equilibrium or steady rate of sediment transport in streams and rivers. The prediction of sediment transport is accomplished by means of a sediment transport formula. Sediment routing refers to the nonequilibrium or unsteady sediment transport processes, the net result of which is either the aggradation or degradation of stream and river beds. El estudio del transporte de sedimentos se puede dividir en:
La predicción del transporte de sedimentos se realiza mediante una fórmula de transporte de sedimentos. El enrutamiento de sedimentos se refiere a los procesos de transporte de sedimentos no equilibrados o inestables, cuyo resultado neto es ya sea la degradación o degradación de los lechos de arroyos y ríos. The description of sediment transport is based on principles of fluid mechanics, river mechanics, and fluvial geomorphology. The energy and turbulence of the flow gives streams and rivers the capacity to entrain and transport sediment. The sediment being transported can originate in either: (a) upland sources or (b) channel sources. A significant feature of sediment transport is the entrainment and transport by the flow of the material constituting the channel bed. Thus, sediment transport serves not only as the means for the movement of sediment from upstream to downstream but also as the mechanism by which streams and rivers determine their own cross-sectional shape and boundary roughness. While the transport of sediment is a fluid mechanics subject, the interaction between flowing stream and its boundary is a river mechanics subject. Una característica significativa del transporte de sedimentos es el arrastre y el transporte por el flujo del material que constituye el lecho del canal. Por lo tanto, el transporte de sedimentos sirve no sólo como el medio para el movimiento de los sedimentos de aguas arriba a aguas abajo, sino también como mecanismo por el cual los arroyos y ríos determinan la forma de su sección transversal y los límites de la rugosidad. Mientras que el transporte de sedimentos es un tema de mecánica de fluidos, la interacción entre corriente que fluye y su límite es un río mecánica tema. Mecánica de Transporte de Sedimentos Sediment load or sediment discharge is the total amount of sediment transported by a stream or river past a given point, expressed in terms of weight per unit time. Based on the predominant mode of transport, sediment load can be classified into: (a) bed load and (b) suspended load. Bed load is the fraction of sediment load that moves by saltation and rolling along the channel bed, primarily by action of bottom shear stresses caused by vertical velocity gradients. Suspended load is the fraction of sediment load that moves in suspension by the action of turbulence. Particles transported as bed load are coarser than particles transported as suspended load. However, the distinction between bed load and suspended load is not all-exclusive; some particles may move as bed load at one point, as suspended load at another, and vice versa. La carga de sedimento o descarga de sedimento es la cantidad total de sedimento transportado por un arroyo o río que pasa por un punto determinado, expresado en términos de peso por unidad de tiempo. En función del modo de transporte predominante, la carga de sedimentos se puede clasificar en: (a) carga en el lecho y (b) carga suspendida. La carga de lecho es la fracción de la carga de sedimento que se mueve por la saltación y la rodadura a lo largo del lecho del canal, principalmente por la acción de las tensiones de corte del fondo causadas por los gradientes de velocidad vertical. La Carga suspendida es la fracción de carga de sedimento que se mueve en suspensión por la acción de la turbulencia. Las partículas transportadas como carga de lecho son más gruesas que las partículas transportadas como carga suspendida. Sin embargo, la distinción entre carga de cama y carga suspendida no es exclusiva; Algunas partículas pueden moverse como carga de la cama. en un punto, como carga suspendida en otro, y viceversa. Based on whether the particle sizes are represented in the channel bed, sediment load can be classified into: (a) bed-material load and (b) fine-material load. Bed-material load is the fraction of sediment load whose particle sizes are significantly represented in the channel bed. Conversely, fine-material load (commonly referred to as wash load) is the fraction of sediment load whose particle sizes are not significantly represented in the channel bed. Stated in other terms, bed-material load is the coarser fraction of sediment load that may have originated in the channel bed and that may be subject to deposition under certain flow conditions. Wash load is the finer fraction of sediment load that has not originated in the channel bed and that is not likely to deposit. Wash load is then, washed through the reach, largely unaffected by the hydraulics of the flow. En función de si los tamaños de partículas están representados en el lecho del canal, la carga de sedimentos se puede clasificar en: (a) carga de material de lecho y (b) carga de material fino. La carga de material del lecho es la fracción de la carga de sedimento cuyos tamaños de partículas están representados significativamente en el lecho del canal. A la inversa, la carga de material fino (comúnmente denominada carga de lavado) es la fracción de la carga de sedimentos cuyos tamaños de partículas no están representados significativamente en el lecho del canal. Dicho en otros términos; la carga de material del lecho es la fracción más gruesa de la carga de sedimento que puede haberse originado en el lecho del canal y que puede estar sujeta a deposición bajo ciertas condiciones de flujo. La carga de lavado es la fracción más fina de la carga de sedimentos que no se originó en el lecho del canal y que no es probable que se deposite. La carga de lavado es entonces lavada a través de su extensión, en gran parte no afectada por la hidráulica del flujo. The relationship between the two classifications of sediment load is shown in Fig. 15-6 [11]. This figure shows that the concepts of bed load and wash load are mutually exclusive. The middle overlap is the suspended bed-material load, i.e., the fraction of sediment load that moves in suspended mode and is composed of particle sizes that are represented in the channel bed. La relación entre las dos clasificaciones de la carga de sedimentos se muestra en la Fig. 15-6 [11]. Esta figura muestra que los conceptos de carga de cama y carga de lavado son mutuamente excluyentes. La superposición media es la carga de material de lecho suspendido, es decir; la fracción de carga de sedimento que se mueve en modo suspendido y está compuesto por tamaños de partículas que están representados en el lecho del canal.
Initiation of Motion. Water flowing over a streambed has a marked vertical velocity gradient near the streambed. This velocity gradient exerts a shear stress on the particles lying on the streambed, i.e., a bottom shear stress. For wide channels, the bottom shear stress can be approximated by the following formula [5]: Inicio del Movimiento. El agua que fluye sobre el lecho de un arroyo tiene un marcado gradiente de velocidad vertical cercano al del arroyo. Este gradiente de velocidad ejerce un esfuerzo cortante sobre las partículas que se encuentran en el lecho de la corriente, es decir; un esfuerzo cortante inferior. Para canales anchos, el esfuerzo cortante inferior se puede aproximar mediante la siguiente fórmula [5]
in which τo = bottom shear stress; γ = specific weight of water; d = flow depth; and So = equilibrium or energy slope. en donde: τo = Esfuerzo cortante inferior; γ = Peso específico del agua; d = profundidad del flujo; y So = pendiente de equilibrio o de energía> There is a threshold value of bottom shear stress above which the particles actually begin to move. This threshold value is referred to as critical bottom shear stress, or critical tractive stress. Determinations of critical tractive stress for given flow and sediment conditions are largely empirical in nature. The Shields curve, shown in Fig. 15-7, represents the earliest attempt to combine theoretical and empirical approaches to estimate critical tractive stress [2]. The Shields curve depicts the threshold of motion, i.e., the condition separating motion (above the curve) from no motion (below the curve) [39]. Hay un valor umbral del esfuerzo cortante inferior por encima del cual las partículas realmente comienzan a moverse. Este valor de umbral se conoce como esfuerzo cortante crítico del fondo o esfuerzo crítico de tracción. Las determinaciones del estrés de tracción crítico para condiciones de flujo y sedimento dadas, son en gran medida de naturaleza empírica. La curva de Shields, que se muestra en la Fig. 15-7, representa el primer intento de combinar enfoques teóricos y empíricos para estimar la tensión de tracción crítica [2]. La curva de Shields representa el umbral de movimiento, es decir, la condición que separa el movimiento (por encima de la curva) del no movimiento (debajo de la curva) [39].
The abscissa in the Shields diagram is the límite de Número de Reynolds, defined as: La abscisa en el diagrama de Shields es el límite del número de Reynolds, definido como:
in which R* = límite de Número de Reynolds; U* = shear velocity; ds = mean particle diameter; and v = kinematic viscosity of water. The shear velocity is defined as follows: En donde:
R * = Límite del número de Reynolds;
in which ρ = density of water. The ordinate in the Shields diagram is the dimensionless tractive stress, defined as follows: En donde: ρ = Densidad del agua. La ordenada en el diagrama de Shields es la tensión de tracción (adimensional), que se define como:
in which τ* = dimensionless tractive stress. En la cual τ* = tensión de tracción adimensional. The Shields diagram indicates that, within a midrange of límite de Número de Reynoldss (approximately 2-200), the dimensionless critical tractive stress can be taken as a constant for practical purposes. Therefore, within this range, the critical tractive stress is proportional to the sediment particle size. For instance, assuming a value of dimensionless critical tractive stress τ* = 0.04 (from the Shields diagram, Fig. 15-7), Eq. 15-17 leads to: El diagrama de Shields indica que, dentro de un rango medio de números límite de Reynolds aproximadamente 2-200), la tensión de tracción crítica adimensional puede tomarse como una constante para fines prácticos. Por lo tanto; dentro de este rango, la tensión de tracción crítica es proporcional al tamaño de partícula del sedimento. Por ejemplo, asumiendo un valor de tensión tractiva crítica sin dimensiones & tau; * = 0.04 (del diagrama de Shields, Fig. 15-7), Ec. 15-17 lleva a:
in which τc = critical tractive stress. For quartz particles (γs = 2.65 × 62.4 lb/ft3), Eq. 15-18 reduces to: en la cual τc = tensión de tracción crítica. Para partículas de cuarzo (γs = 2.65 × 62.4 lb/ft3), La Ec. 15-18 se reduce a:
in which critical tractive stress is given in pounds per square foot and particle diameter in inches. Extensive experimental studies by Lane [30] have shown that the coefficient in Eq. 15-19 is around 0.5. Lane, however, used the d75 particle size (i.e., the diameter for which 75% by weight is finer) instead of the mean diameter (d50) used by Shields. en donde la tensión de tracción crítica se da en libras por pie cuadrado y el diámetro de las partículas en pulgadas. Los amplios estudios experimentales realizados por Lane [30] han demostrado que el coeficiente en la ecuación 15-19 es alrededor de 0.5. Lane, sin embargo, usó el tamaño de partícula d 75 (es decir, el diámetro para el cual el 75% en peso es más fino) en lugar del diámetro medio ( d 50 ) utilizado por Shields.
Forms of Bed Roughness. Streams and rivers create their own geometry. In particular, alluvial rivers determine to a large extent their cross-sectional shape and boundary friction as a function of the prevailing water and sediment discharge. An inherent property of river flows is their tendency to minimize changes in stage caused by changes in discharge. This is accomplished through a continuous adjustment in boundary friction in such a way that high values of friction prevail during low flows, while low values of friction prevail during high flows [27]. Formas de rugosidad del lecho . Arroyos y ríos crean su propia geometría. En particular, los ríos aluviales determinan en gran medida su forma de la sección transversal y la fricción de los límites en función de la descarga de agua y sedimentos predominante. Una propiedad inherente de los flujos del río es su tendencia a minimizar los cambios en la etapa causados por cambios en la descarga. Esto se logra a través de un ajuste continuo en la fricción límite de tal manera que prevalecen los altos valores de fricción durante caudales bajos, mientras que los valores bajos de fricción prevalecen durante caudales elevados [27]. Bed forms are three-dimensional configurations of bed material, which are formed in streambeds by the action of flowing water. Adjustments in boundary friction are made possible by the existence of these bed forms, which develop during low flows (lower flow regime) only to be obliterated during high flows (upper flow regime) [40]. Boundary friction consists of two parts: (1) grain roughness and (2) form roughness. Grain roughness is a function of particle size; form roughness is a function of size and extent of bed forms. Grain roughness is essentially a constant when compared to the variation in form roughness that can be attributed to bed forms. Las formas de lecho son configuraciones tridimensionales de material del lecho, se forman en cauces por la acción del agua que fluye. Los ajustes en el límite de la fricción son posibles por la existencia de estas formas de lecho, que se desarrollan durante flujos bajos (régimen de flujo inferior) sólo para ser borrado durante flujos altos (régimen de flujo superior) [40]. la fricción límite se compone de dos partes: (1) la rugosidad del grano y (2) Forma de la rugosidad. La rugosidad del grano es una función del tamaño de las partículas; la forma de rugosidad es una función del tamaño y la extensión de la forma del lecho.. La rugosidad del grano es normalmente una constante en comparación con la variación en la forma de rugosidad que se puede atribuir a las formas del lecho. Studies have shown that several forms of bed roughness can exist on river bottoms, depending on the energy and bed-material transport capacity of the flow. In the absence of sediment movement, the bed configuration is that of plane bed with no sediment motion. With sediment movement, the following forms of bed roughness have been identified: (a) ripples, (b) dunes and superposed ripples, (c) dunes, (d) washed-out dunes or transition, (e) plane bed with sediment motion, (f) antidune standing waves, (g) antidune breaking waves, and (h) chutes and pools. Sketches of these bed configurations are shown in Fig. 15-8 [40]. Los estudios han demostrado que pueden existir varias formas de rugosidad del lecho en los fondos de los ríos, dependiendo de la energía y la capacidad de transporte del material del lecho. En ausencia de movimiento de sedimentos, la configuración del lecho es la de uno plano sin movimiento de sedimentos. Con el movimiento de sedimentos, se han identificado las siguientes formas de rugosidad del lecho: (a) ondulaciones, (b) dunas y ondulaciones superpuestas, (c) dunas, (d) dunas lavadas o de transición, (e) lecho plano con movimiento de sedimentos, (f) Ondas estacionarias antidonadas,(g) olas de ruptura de antiduna, y (h) canales y pozas. Los esquemas de estas configuraciones de lecho se muestran en la Fig. 15-8 [40].
Figure 15-8 Forms of bed roughness in alluvial channels [40].
The occurrence of different forms of bed roughness can be shown to be related to the median fall diameter of the particles forming the bed and to the stream power of the flow.
Stream power is defined as the product of bottom shear stress and mean velocity.
Such a relationship is shown in
Se puede demostrar que la aparición de diferentes formas de rugosidad del lecho está relacionada con el diámetro medio de caída
de las partículas que forman el lecho y con la potencia de la corriente del flujo.
La potencia de la corriente se define como el producto de la tensión de corte inferior y la velocidad media.
Dicha relación se muestra en The plane bed with sediment motion represents the condition at which the flow's stream power is large enough to obliterate the dunes, essentially eliminating the form roughness. The plane bed, then, represents the condition of minimum boundary friction. For high values of stream power, antidunes (upper regime) form in conjunction with surface waves, with the tendency for upstream movement, usually under supercritical flow conditions. For even higher values of stream power, e.g., in very steep streams, the bed configuration resembles a sequence of chutes and pools [40]. El lecho plano con movimiento de sedimento representa la condición en la cual la potencia del flujo de la corriente es lo suficientemente grande como para borrar las dunas, eliminando esencialmente la rugosidad de la forma. El lecho plano, representa entonces la condición de fricción límite mínima. Para valores altos de la potencia de la corriente, los antidunes (régimen superior) se forman junto con las ondas superficiales, con la tendencia al movimiento hacia arriba, generalmente en condiciones de flujo supercrítico. Para valores aún mayores de potencia de flujo, por ejemplo; en flujos muy empinados, la configuración del lecho se parece a una secuencia de toboganes y piscinas [40].
The assessment of bedform type has practical implications for engineering hydrology. Bedforms determine boundary roughness; in turn, boundary roughness determines river stages. For instance, ripples are associated with values of Manning n in the range 0.018 to 0.030, with form roughness usually a fraction of grain roughness. La evaluación del tipo de forma de lecho tiene implicaciones prácticas para la ingeniería hidrológica. Las formas de lecho determinan los límites de rugosidad; a su vez, los límites de la rugosidad determina las etapas del río. Por ejemplo, las ondulaciones se asocian con valores de Manning n en el rango de 0.018 a 0.030, con la forma de la rugosidad como una fracción de la rugosidad del grano, por lo general. Dunes, however, are associated with n values in the range 0.020 to 0.040, with form roughness of the same order as grain roughness. Moreover, plane bed with sediment motion is associated with relatively low n values, in the range 0.012 to 0.015, and in this case, form roughness is minimal. Sin embargo; las dunas están asociadas con valores de n en el rango de 0.020 a 0.040, con la forma de la rugosidad del mismo orden que la del grano. Además, el lecho plano con movimiento de sedimento está asociado con valores relativamente bajos de n, en el rango de 0.012 a 0.015; y en este caso, la rugosidad de la forma es mínima. The proper assessment of boundary friction, including its variation as the flow changes from lower regime (ripples, ripples on dunes, and dunes) to upper regime (plane bed with sediment movement, antidunes, and chutes and pools) is an important subject in engineering hydrology and fluvial hydraulics. La evaluación adecuada del límite de fricción, incluida su variación a medida que el flujo cambia desde un régimen más bajo (ondulaciones, las ondulaciones en las dunas y las dunas) al régimen superior (lecho plano con movimiento de sedimentos, antidunas y canales y pozas) son un tema importante en la ingeniería hidrológica y en la hidráulica pluvial. Concentration of Suspended Sediment. For a given volume of water-sediment mixture, the suspended-sediment concentration is the ratio of the weight of dry sediment to the weight of the water-sediment mixture, expressed in parts per million. To convert the concentration in ppm to milligrams per liter (mg/ L), the applicable factor ranges from 1.0 for concentrations between 0 and 15,900 ppm, to 1.5 for concentrations between 529,000 and 542,000 ppm, as shown in Table 15-8. La concentración de sedimentos en suspensión . Para un volumen dado de mezcla de sedimentos de agua, la concentración de sedimento en suspensión-es la relación entre el peso de sedimento seco al peso de la mezcla de agua-sedimento, expresada en partes por millón. Para convertir la concentración en ppm a miligramos por litro (mg / L), el factor aplicable varía de 1,0 para las concentraciones entre 0 y 15.900 ppm, a 1,5 para las concentraciones de entre 529.000 y 542.000 ppm, como se muestra en la Tabla de 15-8.
The suspended-sediment concentration varies with the flow depth, usually being higher near the stream bed and lower near the water surface. The coarsest sediment fractions, typically those in the sand size, exhibit the greatest variation in concentration with flow depth. The finer fractions, i.e., silt and clay particles, show a tendency for a nearly uniform distribution of suspended-sediment concentration with flow depth. La concentración de sedimentos en suspensión varía con la profundidad de flujo, siendo generalmente más altos cerca de la cama de la corriente y la más baja, cerca de la superficie del agua. Las fracciones más gruesas de sedimentos, por lo general los que están en el tamaño arena, presentan la mayor variación en la concentración con la profundidad de flujo. Las fracciones más finas, es decir, las partículas de limo y arcilla, muestran una tendencia a que una distribución casi uniforme de la concentración de sedimentos en suspensión con la profundidad de flujo. Figure 15-10 shows the variation of suspended-sediment concentration along the flow depth. In this figure, y is the fraction of flow depth measured from the channel bottom, a is the reference distance measured from the channel bottom, and d is the flow depth. The abscissas show the dimensionless ratio C/Ca, in which Ca is the sediment concentration at the reference distance and C is the sediment concentration at a distance (y - a). The value of a is small compared to d. The plot of Fig. 15-10 is specifically for the case of a/d = 0.05. The ordinates show the dimensionless ratio (y - a)/(d - a). The curve parameter z is the Rouse number, defined as follows: Figura de 15-10 muestra la variación de la concentración de sedimentos en suspensión a lo largo de la profundidad de flujo. En esta figura, y es la fracción de profundidad de flujo medida desde el fondo del canal, a es la distancia de referencia, medida desde el fondo del canal, y d es la profundidad de flujo. Las abscisas muestran la relación adimensional C / C a , en el que Ca es la concentración de sedimentos en la distancia de referencia y C es la concentración de sedimentos a una distancia (y - a). El valor de a es pequeño en comparación con d . La trama de la figura. 15-10 es específicamente para el caso de a/d = 0,05. Las ordenadas muestran la relación sin dimensiones (y - a)/(d - a). El parámetro de curva de z es el número Rouse, que se define de la siguiente manera:
in which z = Rouse number (dimensionless); w = fall velocity of sediment particles; β = a coefficient relating mass and momentum transfer (β ≅ 1 for fine sediments); κ = von Karman's constant (κ = 0.4 for clear fluids); and U* = shear velocity, Eq. 15-16. From Fig. 15-10, it is seen that for high Rouse numbers the variation of suspended sediment concentration along the flow depth is quite marked. Conversely, for low Rouse numbers there is a tendency for greater uniformity of suspended-sediment concentration along the flow depth. en el que z = número Rouse (adimensional); w = velocidad de caída de las partículas de sedimento; β = una masa y cantidad de movimiento de transferencia de coeficiente de relación ( β ≅ 1 de sedimentos finos); κ = von constante ( κ = 0.4 para líquidos claros) Karman; y U * = velocidad de corte, la Ec. 15-16. De la Fig. 15-10, se ve que los números altos Rouse la variación de la concentración de sedimentos en suspensión a lo largo de la profundidad de flujo es bastante marcada. Por el contrario, para los números bajos Rouse hay una tendencia para una mayor uniformidad de la concentración de sedimentos en suspensión a lo largo de la profundidad de flujo.
Predicción de Transporte de Sedimento Sediment load, sediment discharge, and sediment transport rate are synonymous in practice. However, bed load, suspended bed-material load, and wash load are mutually exclusive. Sediment transport prediction refers to the estimation of sediment transport rates under equilibrium (i.e., steady uniform) flow conditions. La carga de sedimentos, la descarga de sedimentos, y la tasa de transporte de sedimentos son sinónimos en la práctica. Sin embargo, la carga de la cama, suspendido carga lecho de material, y la carga de lavado son mutuamente excluyentes. Predicción de transporte de sedimentos se refiere a la estimación de las tasas de transporte de sedimentos bajo equilibrio (es decir, uniforme constante) condiciones de flujo There are numerous formulas for the prediction of sediment transport [2]. Most formulas compute only bed-material load, consisting of bed load and suspended bed-material load. A few compute total sediment load, which consists of bed load, suspended bed-material load, and wash load. Yet some may compute bed load and suspended bed-material load separately. Invariably, sediment transport formulas have some empirical components and, therefore, are most applicable within the range of laboratory and/ or field data used in their development. Duboys Formula. The Duboys formula is widely recognized as one of the earliest attempts to develop a sediment transport predictor. The Duboys formula is [14]: Hay numerosas fórmulas para la predicción de transporte de sedimentos [2]. La mayoría de las fórmulas calculan carga única cama de material, que consiste en carga de fondo y de la carga de lecho material suspendido. Algunos carga sedimentaria total de cómputo, que consta de carga de fondo, suspendida carga lecho de material, y lavar la carga. Sin embargo, algunos pueden calcular carga de fondo y de la carga de lecho material suspendido por separado. Invariablemente, las fórmulas de transporte de sedimentos tienen algunos componentes empíricos y, por lo tanto, son más aplicables dentro de la gama de datos de laboratorio y / o de campo utilizados en su desarrollo. Duboys Fórmula . La fórmula Duboys es ampliamente reconocido como uno de los primeros intentos de desarrollar un predictor transporte de sedimentos. La fórmula Duboys es [14]:
in which qs = bed-material transport rate per unit of channel width, in pounds per second per foot;
Meyer-Peter Formula. The development of the Meyer-Peter formula was based on flume data, with uniform bed material size in the range 3 to 28 mm. Such coarse sediments do not produce appreciable bed forms; therefore. the formula is applicable to coarse sediment transport where form roughness is negligible. The Meyer-Peter formula is [2, 35]: Meyer-Peter Fórmula . El desarrollo de la fórmula Meyer-Peter se basó en datos flume, con uniforme del tamaño de material del lecho en el rango de 3 a 28 mm. Estos sedimentos gruesos no producen formas de cama apreciables; Por Consiguiente. la fórmula es aplicable al transporte de sedimentos gruesos en forma de rugosidad es insignificante. La fórmula Meyer-Peter es [2, 35]:
in which qs = bed-material transport rate per unit channel width, in pounds per second per foot; q = water discharge per unit channel width, in cubic feet per second per foot; So = equilibrium channel slope; and d50 = median particle size, in feet. en el que qs = material del lecho tasa de transporte por unidad de ancho de canal, en libras por segundo por pie; q = descarga de agua por unidad de ancho de canal, en pies cúbicos por segundo por pie; So = equilibrio pendiente del canal; y d50 = tamaño medio de partícula, en pies.
Einstein Bed-load Function. In 1950, Einstein published a procedure for the computation of bed material transport rate by size fractions [15]. The method was developed based on theoretical considerations of turbulent flow, supported by laboratory and field data. Einstein is credited with the introduction of several novel concepts in sediment transport theory, including the separation of boundary friction into grain and form roughness and the use of statistical properties of turbulence to explain the mechanics of sediment transport. Función Einstein Bed-carga . En 1950, Einstein publicó un procedimiento para el cálculo de la tasa de transporte de material del lecho por fracciones de tamaño [15]. El método fue desarrollado en base a consideraciones teóricas de flujo turbulento, apoyados por los datos de laboratorio y de campo. Einstein se le atribuye la introducción de varios conceptos nuevos en la teoría de transporte de sedimentos, incluyendo la separación de fricción límite en grano y forma de rugosidad y el uso de las propiedades estadísticas de la turbulencia para explicar la mecánica de transporte de sedimentos. Einstein's bed-load function first computes the bed-load transport rate. Then it uses the bed-load transport rate to aid in the integration of the product of the suspended sediment concentration profile and the flow velocity profile, to determine the suspended bed-material transport rate, per individual size fraction. Several step-by-step procedures have been reported in the literature [2]. Función de la cama de carga de Einstein calcula primero la velocidad de transporte de cama de carga. A continuación, utiliza la velocidad de transporte de carga-cama para ayudar en la integración del producto de el perfil de concentración de sedimentos en suspensión y el perfil de velocidad de flujo, para determinar la velocidad de transporte de lecho material suspendido, por fracción de tamaño individual. Varios procedimientos paso a paso se han reportado en la literatura [2]. Modified Einstein Procedure. The modified Einstein procedure was developed by Colby and Hembree [6] in order to include actual measurements of suspended load into the framework of the original Einstein method. Typically, measurements of suspended load do not include: (a) the bed load, and (b) the fraction of suspended load moving too close to the streambed to be effectively sampled. The modified Einstein procedure calculates the total sediment load by size fractions based on measurements of suspended load and relevant geometric and hydraulic characteristics of the stream or river. Details of the method are reported in the literature [2, 6].
Modificado Einstein Procedimiento . El procedimiento Einstein modificado fue desarrollada por Colby y Hembree [6] para incluir mediciones reales de carga suspendida en el marco del método original de Einstein.
Por lo general, las mediciones de carga suspendida no incluyen: (a) la carga de la cama, y (b) la fracción de carga suspendida moviendo demasiado cerca del cauce a muestrear con eficacia.
El procedimiento Einstein modificada calcula la carga total de sedimentos por fracciones de tamaño en base a las mediciones de carga suspendida y las características geométricas e hidráulicas pertinentes del arroyo o río.
Los detalles del método son reportados en la literatura [2, 6].
Colby's 1957 Method. Colby's 1957 method is based on some of the same measurements that led to the development of the modified Einstein procedure. However, unlike the latter, it does not account for sediment transport rate by size fractions. Instead, it provides the total bed-material discharge, i.e., the sum of measured and unmeasured bed-material discharges. Método de Colby 1957 . El método de Colby 1957 se basa en algunas de las mismas mediciones que llevaron al desarrollo del procedimiento de Einstein modificado. Sin embargo, a diferencia de este último, que no tiene en cuenta la tasa de transporte de sedimentos por fracciones de tamaño. En su lugar, proporciona el fondo del material de descarga total, es decir, la suma de las descargas de lecho de material medidos y no medidos. The following data are needed in an application of the Colby 1957 method: (1) mean flow depth d, (2) mean channel width b, (3) mean velocity v, and (4) measured concentration of suspended bed-material discharge Cm. The procedure is as follows [7]: Se necesitan los siguientes datos en una aplicación del método de Colby 1957: (1) Media fluir profundidad d , (2) significa ancho de canal b , (3) la velocidad media v , y (4) concentración medida de suspensión-lecho de material de descarga C m . El procedimiento es el siguiente [7]:
in which qs = bed-material discharge in tons per day per foot; q = water discharge in cubic feet per second per foot; Cm = measured concentration of suspended bed-material discharge in milligrams per liter; and 0.0027 is the conversion factor for the indicated units. Table 15-8 shows a factor to convert concentration in parts per million to milligrams per liter. en el que qs =-lecho de material de descarga en toneladas por día por pie; q = descarga de agua en pies cúbicos por segundo por pie; Cm = concentración medida de la descarga de lecho material suspendido en miligramos por litro; y 0.0027 es el factor de conversión para las unidades indicadas. Tabla de 15-8 muestra un factor para convertir la concentración en partes por millón a miligramos por litro.
Colby's 1964 Method. In 1964, Colby published a method to calculate discharge of sands (i.e., bed-material discharge) in sand-bed streams and rivers. The development of the method was guided by the Einstein bed-load function and supported by large amounts of laboratory and field data. The method has been shown to provide a reasonably good prediction of sediment transport rates, particularly for sand-sized particles. de Colby 1964 Método . En 1964, Colby publicó un método para calcular la descarga de arena (es decir, de descarga de lecho de material) en los flujos de arena de lecho y ríos. El desarrollo del método se guió por la función de la cama de carga Einstein y con el apoyo de grandes cantidades de datos de laboratorio y de campo. El método se ha demostrado proporcionar una razonablemente buena predicción de las tarifas de transporte de sedimentos, en particular para las partículas de arena de tamaño. The following data are needed: (1) mean flow depth d, (2) mean channel width b, (3) mean velocity v, (4) water temperature T, (5) concentration of fine-material load (i.e., wash load) Cw, and (6) median size of bed material d50. The procedure is as follows [8]: (4) la temperatura del agua T, (5) concentración de carga material fino (es decir, lavar carga) Cw , y (6) tamaño medio de material de cama d 50. El procedimiento es el siguiente [8]:
Other Methods for the Calculation of Sediment Discharge. Many other methods have been proposed for the calculation of sediment discharge. Notable among them are the methods of Ackers and White [1], Engelund-Hansen [16], Toffaleti [42], and Yang [49]. The various procedures vary in complexity and range of applicability. For details on these and other sediment transport formulas, see [2, 4, 25, 41]. Otros métodos para el cálculo de los sedimentos Efluentes . Se han propuesto muchos otros métodos para el cálculo de la descarga de sedimentos. Entre ellos se destacan los métodos de Ackers y Negro [1], Engelund-Hansen [16], Toffaleti [42], y Yang [49]. Los diversos procedimientos varían en complejidad y el rango de aplicabilidad. Para más detalles sobre estas y otras fórmulas de transporte de sedimentos, véase [2, 4, 25, 41].
Sediment Rating Curves Curvas sedimentos Rating A useful curve in sediment analysis is the sediment rating curve, defined as the relationship between water discharge and sediment discharge at a given gaging site (Fig. 15-17). For a given water discharge, the sediment rating curve allows the estimation of sediment discharge, assuming steady equilibrium flow conditions. Una curva útil en el análisis de sedimento es la curva de sedimentos, definida como la relación entre la descarga de agua y descarga de sedimentos en un sitio de aforo determinado (Fig. 15-17). Para una descarga de agua dado, la curva de sedimentos permite la estimación de la descarga de sedimentos, asumiendo condiciones de flujo de equilibrio estable. The sediment rating curve is an x-y plot showing water discharge in the abscissas and sediment discharge in the ordinates. This plot is obtained either by the simultaneous measurement of water and sediment discharge or, alternatively, by the use of sediment transport formulas. For low-water discharges, the sediment rating curve usually plots as a straight line on logarithmic paper, showing an increase of sediment concentration with water discharge. However, for high water discharges, the sediment rating curve has a tendency to curve slightly downward, approaching a line of equal sediment concentration (i.e., a line having a 45° slope in the x-y plane) (Fig. 5-18). La curva de sedimentos es un xy gráfico que muestra la descarga de agua en el abscisas y sedimentos de descarga en las ordenadas. Se obtiene Esta parcela ya sea mediante la medición simultánea de agua y descarga de sedimentos o, en su defecto, por el uso de fórmulas de transporte de sedimentos. Para las descargas de aguas bajas, la curva de sedimentos generalmente traza como una línea recta en papel logarítmico, mostrando un aumento de la concentración de sedimento con descarga de agua. Sin embargo, para los vertidos de agua de alta, la curva de sedimentos tiene una tendencia a curvarse ligeramente hacia abajo, acercándose a una línea de concentración igual sedimento (es decir, una línea que tiene una deg 45 y, pendiente en la xy de avión) (Fig . 5-18).
Like the single-valued stage-discharge rating, the single-valued sediment rating curve is strictly valid only for steady equilibrium flow conditions. For strongly unsteady flows, the existence of loops in both water and sediment rating curves has been demonstrated [2]. These loops are complex in nature and are likely to vary from flood to flood. In practice, loops in water and sediment rating are commonly disregarded. Al igual que la calificación de un solo valor altura-caudal, la curva de valor único calificación sedimentos es estrictamente válida para las condiciones de flujo de equilibrio estable. Para caudales muy inestables, la existencia de lazos en ambos agua y sedimentos curvas de gasto se ha demostrado [2]. Estos lazos son complejas por naturaleza y tienden a variar de inundación a las inundaciones. En la práctica, los bucles en agua y sedimentos calificación son comúnmente ignorados. Sediment Routing Los sedimentos Routing The calculation of sediment yield is lumped, i.e., it does not provide a measure of the spatial or temporal variability of sediment production within the catchment. Sediment transport formulas are invariably based on the assumption of steady equilibrium flow. Sediment routing, on the other hand, refers to the distributed and unsteady calculation of sediment production, transport and deposition in catchments, streams, rivers, reservoirs, and estuaries. El cálculo de la producción de sedimentos se agrupa, es decir, que no proporciona una medida de la variabilidad espacial o temporal de la producción de sedimentos dentro de la cuenca. Fórmulas de transporte de sedimentos se basan siempre en la hipótesis de flujo de equilibrio estable. enrutamiento Sedimentos , en cambio, se refiere al cálculo distribuido e inestable de la producción de sedimentos, el transporte y la deposición en las cuencas, arroyos, ríos, embalses y estuarios. Of necessity, sediment routing involves a large number of calculations and, therefore, it is ideally suited for use with a computer. Sediment routing should be used, in addition to sediment yield and sediment transport evaluations, in cases where the description of spatial and temporal variations of sediment production, transport, and deposition is warranted. Sediment routing methods are particularly useful in the detailed analysis of sediment transport and deposition in rivers and reservoirs. For example, the computer model HEC-RAS, "River Analysis System," has a sediment routing component [21]. Several other sediment routing models have been developed in the last two decades; see, for instance, [4] and [25]. Por necesidad, el enrutamiento de sedimento implica un gran número de cálculos y, por tanto, es ideal para su uso con un ordenador. Enrutamiento de sedimentos se debe utilizar, además de sedimentar las evaluaciones de rendimiento y de transporte de sedimentos, en los casos en que se justifica la descripción de las variaciones espaciales y temporales de la producción de sedimentos, transporte y deposición. Métodos de enrutamiento de sedimentos son particularmente útiles en el análisis detallado de transporte de sedimentos y la deposición en los ríos y embalses. Por ejemplo, el modelo de la computadora HEC-RAS, "Sistema de Análisis de Río," tiene un componente de enrutamiento de sedimentos [21]. Varios otros modelos de enrutamiento sedimentos se han desarrollado en las últimas dos décadas; véase, por ejemplo, [4] y [25]. The Lane Relation La relación Carril Lane [31] pioneered the development of quantitative fluvial geomorphology by relating water and sediment discharge to the stream slope and mean particle diameter. The Lane relation is:
which states the proportionality between the product of sediment discharge and sediment particle diameter (Qs ds) and the product of water discharge and stream slope (Qw So). The Lane relation is dimensional and was derived from experience. Ponce [36] has improved the Lane relation by expressing it in dimensionless form, as follows: que establece la proporcionalidad entre el producto de la descarga de sedimentos y diámetro de las partículas de sedimento (Qsd s) y el producto de la descarga de agua y corriente pendiente (QwSo). La relación Lane es dimensional y se deriva de la experiencia. Ponce [36] ha mejorado la relación Lane de expresándolo en forma adimensional, como sigue:
en la cual R = radio hidráulico, y γ = peso específico del agua. En la Ec. 15-26, Qs es dado en [F T-1] unidades, ds y R en las mismas unidades [L], γ en [F L-3] unidades, Qw en [L3 T-1] unidades, y So es dimensional. The general unit-width sediment discharge is [36] / La descarga de sedimentos unidad de ancho general es [36]:
in which k1 and m are coefficient and exponent, respectively, of the unit-width sediment discharge vs mean velocity relation. For the special case of m = 3, Eq. 15-27 reduces to:
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