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Modelo conceptual agregado de transporte de
sedimentos para cuencas de montaña en Antioquia
Santiago Cataño Álvarez, I.C
Director: Jaime Ignacio Vélez Upegui, Ph.D
Maestría en investigación
Ingeniería- Recursos Hidráulicos
Avance de tesis
Contexto- cuencas tropicales de montaña
+ Tropical alta precipitación y
meteorización + Montaña altas pendientes.
+ Usos nocivos del suelo ALTA EROSIÓN (Restrepo, 2005)
Plan de Desarrollo de Antioquia-Línea 5:
“Antioquia es verde y sostenible”
Citas del PD* que invitan al estudio del problema:
“Degradación de suelos reduce permeabilidad y genera gran cantidad de
sedimentos hacia los cauces”
“Desarrollo de Antioquia vía aprovechamiento de recursos naturales,
deteriorando ambiente y comunidades”
“Deforestación alta 20000ha/año (más que todo Bajo Cauca y Nordeste)”
“Mayoría de cuencas en acelerado proceso de erosión”
“Riesgo para usos del agua: consumo, hidroenergía, etc.”
“Una guía socio ambiental (secretaría de Infraestructura)”
*Gobernación de Antioquia, 2012
Transporte de sedimentos, proceso complejo y poco
entendido en Antioquia
Morris & Fan, 2010
Uso común de curvas Q vs Qs en
la práctica, con pocos datos, y no
representativos (aforos en verano)
Incertidumbre de varios órdenes de
magnitud en las estimaciones.
Necesidad de datos de sedimentos
para diseño y gestión de obras
-Alta variabilidad espacio-
temporal.
-Interdependencia con múltiples
variables de hidrología y
geomorfología.
-Dinámica con
retroalimentaciones y umbrales.
Transporte de sedimentos, amenaza para
infraestructura hídrica en Antioquia
Morris & Fan, 2010
-Impactos morfológicos, bióticos
y abióticos en ríos, por alteración
de régimen.
-Confiabilidad de
almacenamiento en embalses
-Daños en maquinaria hidráulica
Justificación del modelo
La red de medición de sedimentos carece de densidad, resolución,
continuidad y longitud adecuada para generalizaciones estadísticas.
Análisis muestran algunas inconsistencias en datos diarios
(probablemente corregibles: exponentes de curvas Qs-Q entorno a 1??).
Modelos de inferencia vía datos no permiten simulaciones continuas de
mediano plazo*, acordes con horizonte de proyectos; por no considerar el
proceso dinámico**
Necesidad de modelos prácticos y parsimoniosos para estimaciones de
transporte; en cuencas con información escasa.
El modelo debe ajustarse a condiciones regionales de cuencas de
montaña de Antioquia (extrapolable a Andes colombianos)
*Resolución de días o semanas, para períodos de años o décadas
**Autoregulación de la cuenca y tendencia a equilibrio
Hipótesis
-Áreas aportantes definidas por densidad de drenaje y longitud de tramo.
-Proceso: (1) Erosión en ladera (Qe=escorrentía rápida)
(2) Regulación y transporte en cauce (Q=Qe+Qbase)
-Geometría hidráulica con parámetros fijos en el tiempo (no cambios de
sección o pendiente).
Lu et al.,2005
Modelo THEW
Patil, 2012
Desagregación
en subcuencas,
por tramos del
cauce (Flores,
2006).
Hipótesis
CASC2DSED: base para
modelos distribuidos de
Montoya, 2008 y
Velázquez, 2011.
-Transporte en cauce sólo si
suministro y capacidad.
-Equilibrio*: Almacenamiento de
sedimento en cauce fluctúa (no es
monótono). Toda erosión sale de la
cuenca: cuenca de montaña.
-La porción de carga por fondo es función del
número de Rouse (vel_caida / vel_corte), así
que varía en espacio y tiempo (Dade, 1998).
Con esta carga se estima suspensión, para
comparar con datos
-Tres tamaños de
grano: limo, arena,
grava
*Equilibrio permite
calibración (García, 2008)
1. Revisión de información y patrones emergentes.
2. Revisión de teorías aplicables al modelo
conceptual continuo diario.
3. Acople de modelos agregados de hidrología y
sedimentos.
4. Parametrización del modelo.
5. Evaluación de patrones descritos con el modelo
consistentes con resultados del obj.1.
Objetivos
1. Revisión de información y patrones emergentes
Patrones emergentes de datos de Antioquia, obtenidos tras
depuración de información:
Variabilidad temporal (estacional) mayor
para sedimentos que para agua
Variabilidad espacial (estacional) mayor para
cuencas más pendientes. Se refleja en
mayores exponentes de curva Qs vs. Q
Ciclo anual y perfil
altimétrico del Rio Sucio
Tasas de denudación entre 300 y 1400 t/km2/año, mayores en
occidente y menores en oriente antioqueño
La variabilidad temporal de hidrología decae con escala espacial,
pero la de sedimentos NO tanto
1. Revisión de información y patrones emergentes
25 a 50% de los rendimientos sólidos, por regiones, puede explicarse
con pendiente y caudal medio de cuenca (“potencia”). Se espera que
un factor de cobertura o suelo mejore estimación.
1. Revisión de información y patrones emergentes
Ecuación de Klinic y Richardson para erosión en ladera (Velázquez,
2011). Falta estimar factor simple de cobertura o suelo
Continuidad de masa en el cauce de cada subcuenca, para balance
entre sedimento de cauce aguas arriba, aporte de ladera, almacén
temporal y salida.
Ecuaciones de geometría hidráulica en sitio y aguas abajo (Richards,
1982), para estimar variables del flujo en el cauce. Falta variar
parámetros según el río sea de gravas o arenas.
Ecuación de capacidad de transporte: Engelund y Hansen. Falta
definir validez de ecuación, en especial para limos y gravas.
Ecuación de perfil de concentraciones Rouse, modificado por Dade
(1998), para estimar porción en suspensión de la carga total
modelada.
2. Teorías aplicables
Modelo hidrológico conceptual: SHIA (Vélez, 2001)
Simulación subcuenca intermedia de cauce
trenzado, en río Herradura (occidente de Antioquia,
afluente al Rio Sucio).
Datos ppales: 100km2, 20m3/s, pdte_ladera=70%,
pdte_cauce=1%, L=10km, Bbancallena=20m).
3. Acople hidrología - sedimentos
Resultados:
Denudación=2000t/km2/año
(concentración varía entre 50 y 2000
ppm), diámetros promedio en el flujo: 2
a 60mm, %carga fondo=60% (varia
entre 50 y 70%, decreciendo con Q),
exponente curva Qs vs Q: 2.1 para
carga total, 2.6 para carga en
suspensión y 1.8 para carga de fondo
Tamaño gravas relacionado con rugosidad de lecho, asociada a
pendiente. Falta definir si aguas abajo se toma factor de reducción por
abrasión y selección.
Falta definir factor de cobertura o suelo, estimable fácilmente de
imágenes (p ej Google Earth). Este modula la denudación simulada de la
cuenca. Puede usarse como aproximación la regresión según el índice de
potencia, hallada para regiones de Antioquia; la cual requiere estimar
caudal medio (vía HidroSIG e Hidroatlas de Antioquia)
Pendiente de ladera se promedia en el espacio, desde HidroSIG
Aporte de gravas desde ladera hacia lecho se toma como porción fija de
la erosión de ladera. Falta eventualmente considerar un indicador mejor
pero simple de deslizamientos como fuente de gravas
4. Parametrización
Caudal de ladera se toma como una porción del caudal de escorrentía
rápida predicho con modelo hidrológico. Falta definir si tal porción puede
ir ligada a la precipitación, tomando áreas efectivas de aporte de
escorrentía (p. ej. según conceptualización del índice topográfico).
Porciones de limo y arena en ladera están arbitarias. Algunos trabajos de
campo muestran que la variación de estas porciones no es muy marcada
en varias regiones (Canfield, 1998), y que están relacionadas con
morfología
Geometría hidráulica de referencias internacionales. Falta evaluar uso de
estudios regionales (p. ej. Mejía, 2001).
Almacenamientos iniciales en cauce se toman considerando proporciones
aproximadas de depósitos en cauce, dado su ancho, su longitud y una
profundidad estimada de capa activa tal que no cambie sensiblemente
pendiente o profundidad del cauce.
4. Parametrización
Densidad de drenaje se estima vía HidroSIG, con el DEM y el mapa de
direcciones y áreas.
Almacenes iniciales y tamaños de sedimento pueden estimarse tales que
generen (al final del período de simulación) un flujo de sedimento a la
salida de cuenca similar a la erosión de laderas.
4. Parametrización
Almacenamiento de sedimento en cauce es mayor para cuencas menos
pendientes.
Este suministra carga, principalmente de fondo, aún sin lluvia que provea
flujo desde laderas.
Representación de parte de la causa de la dispersión de la curva Qs vs
Q: Dos caudales líquidos de similar magnitud pueden diferir en la
magnitud y los diámetros de la carga, según las condiciones
antecedentes: porción del caudal que viene de escorrentía de ladera
(SHIA) y almacenamiento de sedimento en cauce (modelo de este
trabajo)
Falta superponer series diarias reales y simuladas para evaluar acople
temporal y frecuencial.
5. Validación de patrones simulados
Cuencas más pendientes transportan en promedio mayores diámetros y
tienen un exponente mayor de la curva Qs vs Q.
Falta validar transporte total con frecuencia de lavado del pondaje y los
desarenadores de una PCH antioqueña.
Limos siempre limitados por suministro desde ladera, gravas por capacidad
de flujo en cauce. La limitante para el transporte de arenas varía.
Estados de transporte en diagrama de Shields similares a los de Parker para
ríos de gravas (García, 2008); para limos, arenas y gravas (aunque
sobreestimaciones de hasta un orden de magnitud)
5. Validación de patrones simulados
Bibliografía
Canfield, H. E. (1998). Use of geomorphic indicators in parameterizing an event-based sediment-
yield model. Doctoral thesis. University of Arizona.
Dade, W. B., (1998). Grain-size, sediment-transport regime, and channel slope in alluvial rivers.
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Flores, A. N., B. P. Bledsoe, C. O. Cuhaciyan, and E. E. Wohl (2006). Channel-reach morphology
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García, M.H. (2008). Sedimentation Engineering. ASCE. 1132 p.
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Bibliografía
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Santiago Cataño Álvarez, I.C
Director: Jaime Ignacio Vélez Upegui, Ph.D
Maestría en investigación
Ingeniería- Recursos Hidráulicos
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Gracias por su atención
