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Victor M. Ponce, Life Member, ASCE
Departmento de Ingeniería Civil, Universidad Estatal de San Diego, California
92182-1324 EE.UU.;
Rosa D. Aguilar, Student Member, ASCE
Departmento de Ingeniería Civil, Universidad Estatal de San Diego, California 92182-1324 EE.UU.;
Martin J. Teal, Fellow, ASCE
Vicepresidente, WEST Consultants, Inc. 11440 W. Bernardo Court, Suite 360
San Diego, California 92127-1644 EE.UU.; RESUMEN
Se han examinado seis (6) curvas de gasto de sedimentos a través de un amplio rango de caudales.
Para los caudales altos, la curva de gasto de sedimentos tiende asintóticamente a una concentración
máxima de sedimentos. Para los caudales bajos, la reducción en la concentración de sedimentos
se atribuye al efecto de fricción de forma. Se ha utilizado una gran cantidad de mediciones de campo y laboratorio
para demostrar que, para los caudales bajos, la fricción total (grano y forma) y la concentración de sedimentos
son inversamente proporcionales, en tanto que la fricción de forma constituye una fracción considerable de la fricción total.
Para caudales altos, la fricción de forma se reduce a un mínimo, mientras que la fricción total y la concentración de
sedimentos alcanzan un valor constante. De esta manera, para caudales bajos, la fricción de forma reduce la concentración de sedimentos
a valores muy por debajo de aquéllos que prevalecen para caudales altos.
INTRODUCCIÓN
El cálculo del transporte de sedimentos está lleno de complicaciones, incluyendo el rol de la fricción (grano y forma), acorazamiento,
flujo no permanente y otros. A pesar de estas dificultades, en la práctica es posible desarrollar una curva de gasto de sedimentos en base a una fórmula de transporte de
sedimentos y/o mediciones de campo.
La curva de gasto de sedimentos es un gráfico que relaciona el caudal sólido (toneladas/día) y el caudal líquido (pies cúbicos por segundo), por lo general en una
escala logarítmica. Para los caudales altos, la curva de gasto de sedimentos tiende asintóticamente a una concentración máxima (American Society of Civil Engineers 1975, p. 476),
es decir, asintótica a una línea de 45°. Ponce (1988) examinó esta característica de la curva de sedimentos
y se refirió al valor máximo como la concentración última de sedimento.
La naturaleza de la curva de gasto de sedimentos, en la cual la concentración (a) aumenta con el caudal, y (b) es asintótica a un valor máximo para caudales suficientemente altos,
sugiere que existe un mecanismo que reduce la concentración de sedimentos para caudales bajos. Aquí sugerimos que este mecanismo es la fricción de forma.
El objetivo de este estudio es demostrar, utilizando datos de campo de alta calidad, que la fricción de forma es la causante principal de la curvatura y la forma de la curva de sedimentos para caudales bajos.
Este estudio confirma que para caudales altos, la curva de gasto de sedimentos tiene la tendencia a acercarse asintóticamente a una concentración
máxima (American Society of Civil Engineers 1975). Para caudales bajos, la fricción de forma reduce la concentración de sedimentos por
debajo de lo que se podría lograr si la fricción de forma fuera insignificante. El efecto neto de la fricción de forma es producir una reducción de la
concentración de sedimentos muy por debajo del valor último (Colby 1964; Ponce 1988). Esto aumenta considerablemente la complejidad del cálculo de transporte de sedimentos para caudales bajos.
DATOS DE CAMPO
En este estudio, hemos utilizado los datos recopilados por Williams (1995), quien presentó una base de datos digitales incluyendo los de Ackers y White (1973), Brownlie (1981 a, b), Engelund y Hansen (1967)
y Yang (1973) en el desarrollo de fórmulas de transporte de sedimentos. Específicamente, los datos de Brownlie incluyen aproximadamente 7,000 datos de campo y de laboratorio.
Williams (1995) filtró los datos para incluir sólo los datos con las siguientes características:
Dentro de cada conjunto de datos, cada unidad de datos consistió de lo siguiente:
Los datos del Río Niobrara también incluyen los tipos de forma de fondo.
METODOLOGÍA Y RESULTADOS
Las curvas de gasto de sedimentos, incluyendo el mejor ajuste gráfico, se muestran en las Figuras 1 (a) a 1 (f). Además, por cada unidad de datos, el caudal, el ancho de canal,
la profundidad hidráulica, y la pendiente del lecho se utilizaron para calcular el número de Manning (Chow 1959). Para simplificar, se ha supuesto un canal rectangular.
Por cada medición, el número de Manning se muestra en un eje vertical paralelo, de modo que la tendencia en la curva de sedimentos pueda ser comparada con la tendencia
en el número de Manning. En todos los casos, se ve claramente que el número de Manning disminuye a medida que el caudal líquido y el caudal sólido aumentan.
Figura 1 (a) Curva de gasto de sedimentos para el Río Atchafalaya.
Figura 1 (b) Curva de gasto de sedimentos para el Río Niobrara.
Figura 1 (c) Curva de gasto de sedimentos para el Río Middle Loup.
Figura 1 (d) Curva de gasto de sedimentos para el Río Grande.
Figura 1 (e) Curva de gasto de sedimentos para el Río Mississippi.
Figura 1 (f) Curva de gasto de sedimentos para el Río Red.
Se ha utilizando un conjunto de datos de campo de alta calidad, para demostrar que la fricción de forma es la causante de la curvatura y la forma típica de las curvas de gasto de sedimentos. Se ha confirmado que para caudales altos, las curvas de gasto de sedimentos tienden asintóticamente a una concentración máxima. Por el contrario, para caudales bajos, la fricción de forma reduce la concentración de sedimentos muy por debajo de lo que se podría lograr si la fricción de forma fuera despreciable. Se han mostrado seis curvas de gasto de sedimentos, efectuadas con mediciones de alta calidad. Además, por cada unidad de datos, el caudal, el ancho de canal, la profundidad hidráulica, y la pendiente del lecho se utilizaron para calcular el número de Manning. Los datos se representaron gráficamente de tal manera que la tendencia en al gasto de sedimentos pueda ser fácilmente comparada con la tendencia del número de Manning. En todos los casos, el número de Manning disminuye a medida que el caudal líquido y el caudal sólido aumentan. Se concluye que para caudales bajos, la fricción de forma es significativa en el transporte de sedimentos, reduciendo eficazmente la concentración de sedimentos muy por debajo del valor último. Para caudales altos la fricción de forma disminuye, la fricción total tiende a un valor constante, y la concentración de sedimentos se acerca asintóticamente al valor último. Estos resultados iluminan nuestro entendimiento de la curva de gastos en particular y el transporte de sedimentos en general.
BIBLIOGRAFÍA
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