Avances para la estimación del transporte de sedimentos por fondo en cauces fluviales de Uruguay

Abstract

El Uruguay cuenta, en su red hidrográfica, con gran cantidad de cauces de tipo aluvial, cuyas características están determinadas por los procesos de transporte de sedimentos que en ellos ocurren. En torno a los mismos se desarrolla una variedad de actividades humanas, las cuales en muchas ocasiones alteran la dinámica natural del transporte de sedimentos, derivando en problemas ambientales de diferente magnitud. El abordaje de los mismos, a nivel nacional, resulta difícil y poco habitual, debido a la falta de conocimiento que existe sobre el tema y a la complejidad de los fenómenos involucrados. Para esto se hace necesaria la generación de conocimiento propio sobre los procesos sedimentológicos que ocurren en los cauces del país, y el desarrollo de herramientas válidas que permitan estimar los volúmenes de material sólido que se transportan anualmente en los mismos. En ese marco se llevó a cabo el presente trabajo de tesis de maestría, titulado "Avances para la estimación del transporte de sedimentos por fondo en cauces fluviales de Uruguay", cuyo objetivo general fue el de realizar un avance en la comprensión de los procesos de transporte de sedimento que se dan en los cursos fluviales de Uruguay. Para ello se desarrolló, sobre la base del conocimiento existente, una metodología de sencilla aplicación para la estimación del transporte sólido a escala anual en el río Santa Lucía, Uruguay. La misma fue validada con mediciones en campo y permite realizar estimaciones con bajo presupuesto, aprovechando la información hidro-meteorológica y de caracterización de suelos disponible. La estrategia de investigación involucró 4 etapas fundamentales, las cuales se describen brevemente a continuación. En primer lugar se llevó a cabo una revisión bibliográfica completa, que permitió obtener conocimiento a nivel de estado del arte sobre el tema de transporte de sedimentos en cauces aluviales. En particular, fueron abordados los siguientes sub-temas: generalidades del transporte de sedimentos; características particulares del transporte por fondo; metodologías de medición en campo de transporte por fondo; formulaciones teóricas de estimación del transporte por fondo; generalidades sobre la teoría del régimen y el caudal formativo y métodos de cálculo del caudal formativo. En segundo lugar se aplicaron diferentes metodologías de monitoreo en campo del transporte de sedimentos por fondo, con el objetivo de realizar un avance hacia el desarrollo de una metodología de medición adecuada a las condiciones de la red hidrográfica nacional, y de obtener medidas de campo de contraste para el ajuste de métodos teóricos de estimación del transporte por fondo. Durante esta etapa se llevó a cabo una campaña de monitoreo que se extendió por dos años : entre julio de 2017 y julio de 2019. En este período se tomaron medidas en tres puntos del río Santa Lucía, el cual fue seleccionado como cauce piloto para el estudio. Se aplicaron tres métodos de medición : excavación de trincheras en el fondo del cauce; utilización de un muestreador de transporte por fondo modelo US BL-84 y medición con ADCP, aplicando el método de la velocidad virtual del material de fondo. Los tres mostraron aspectos positivos y negativos, siendo complementarios en cuanto al tipo de eventos que permiten registrar. La medición mediante trincheras resultó altamente costosa y de difícil implementación, por lo que se recomiendan los dos métodos restantes para ser tenidos en cuenta en futuros trabajos que involucren mediciones en campo. En tercer lugar se aplicaron varias formulaciones empíricas de estimación del transporte por fondo para la geometría y condiciones hidrodinámicas registradas durante las salidas de campo, con el fin de compararlas con los resultados de las mediciones y así determinar qué formulación resulta más adecuada para representar el presente caso de estudio. Las formulaciones seleccionadas fueron las de Van Rijn (1984b), Wong and Parker (2006a), Meyer-Peter and Muller (1948) y Ashida and Michiue (1972), las cuales resultan aplicables a ríos con fondo de arena media y gruesa, como el Santa Lucía. Complementariamente se aplicó la formulación de transporte total de Engelund and Hansen (1967) ya que la misma se había utilizado anteriormente en casos de estudio nacionales con buenos resultados. El análisis comparativo con las medidas de campo mostró que todas las formulaciones son capaces de estimar el orden de magnitud del caudal sólido adecuadamente, sin poderse distinguir alguna que presente un mejor ajuste que las restantes. Durante los trabajos se comprobó que los resultados de todas las formulaciones aplicadas presentan alta sensibilidad al valor de la pendiente de fricción que se utilice, dato que no resulta sencillo de estimar con precisión en campo. Es por esto que posteriormente se propuso una metodología basada en el factor de fricción de Manning para la estimación teórica del transporte, aplicable a secciones aforadas, que no requiere el uso ni la estimación de dicha pendiente. De ese modo se obtuvieron resultados similares a los medidos mediante varios métodos, aplicables a un amplio rango de condiciones y disponibilidad de datos. En último lugar se aplicaron los conceptos vinculados a la teoría del régimen y el caudal formativo, en conjunto con las formulaciones teóricas antes mencionadas, para el desarrollo de una metodología simplificada que permite obtener una estimación cuantitativa del orden de magnitud del transporte anual de sedimentos en la cuenca en estudio. El primer paso de esta etapa consistió en determinar el caudal formativo vinculándolo con tres caudales representativos diferentes : caudal de llenado del cauce (o bankfull), caudal asociado a un determinado período de retorno (1 año, en este caso) y el caudal efectivo, que fue calculado mediante dos aproximaciones diferentes (Schaffernak, 1950 y Komura, 1969). Con todos los métodos se obtuvieron resultados similares, siendo la aplicación de la fórmula de Komura en base a caudales medios mensuales el método más sencillo, que tiene la ventaja adicional de permitir realizar estimaciones del caudal efectivo año a año. Posteriormente se estimó la masa acumulada anual de sedimento suponiendo que el caudal formativo circula de manera constante durante un año, y calculando el transporte sólido correspondiente con alguna de las formulaciones teóricas antes mencionadas. A su vez, como medida de referencia, se calculó el transporte que determinará la serie continua de caudales para cada año. La comparación mostró resultados del mismo orden de magnitud. Finalmente, para validar este método, se aplicó el mismo a otros cauces (Cuareim y Yaguarón) obteniéndose resultados igual de satisfactorios. Como líneas de trabajo futuras se plantea la necesidad de continuar con las mediciones en el tramo estudiado, para ampliar el rango de condiciones registradas y obtener suficientes datos como para poder ajustar una curva caudal sólido-caudal líquido empírica. Sería bueno además complementar las mediciones de transporte por fondo con mediciones de transporte en suspensión, de modo de estimar empíricamente el transporte total y de conocer la incidencia de cada modo en el mismo. A su vez se considera necesario extender la metodología presentada a otras cuencas del país para validar los resultados a escala nacional. Por último, se requiere profundizar en la comprensión que se tiene sobre los diferentes métodos de estimacíon del caudal efectivo, y la sensibilidad de sus resultados a las características de la curva de densidad de probabilidad que determina el régimen de caudales en diferentes ríos.