CM-CD-03 INFORME MODELO FISICOweb01eja.cormagdalena.com.co/aplicaciones/CanalDique...Informe CM - CD...

UNIVERSIDAD

NACIONAL DE COLOMBIAS E D E B O G O T Á

FACULTAD DE INGENIERÍADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AGRÍCOLA

LABORATORIO DE ENSAYOS HIDRÁULICOS

ESTUDIOS E INVESTIGACIONES DE LAS OBRAS DE RESTAURACIÓN AMBIENTAL Y DE NAVEGACIÓN DEL

CANAL DEL DIQUE

Modelación física del Río Magdalena en la bifurcación del Canal de Dique

Informe CM - CD - 3

Bogotá D.C., Enero de 2007

ESTUDIOS E INVESTIGACIONES DE LAS OBRAS DE RESTAURACIÓN AMBIENTAL Y DE NAVEGACIÓN DEL CANAL DEL DIQUE

MODELACIÓN FÍSICA DEL RÍO MAGDALENA EN LA BIFURCACIÓN DEL CANAL DE DIQUE INFORME CM - CD - 3

CONVENIO INTERADMINISTRATIVO LEHUN-CM-I 037/2005 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA LABORATORIO DE ENSAYOS HIDRÁULICOS

EQUIPO DE TRABAJO

Profesores Universidad Nacional Carlos Eduardo Cubillos P. Director Silverio Farías Mendoza Coordinador del proyecto Leonel Vega Estudio y modelación Ambiental Jaime Iván Ordóñez Modelación Física, hidráulica y sedimentológicaGabriel Pinilla Limnología Luís Alejandro Camacho Modelación Matemática y de Calidad de Agua Erasmo Rodríguez Modelación Hidrológica Guillermo Ángel Geotecnia Manuel Moreno Geología y Geomorfología César Rodríguez Hidrogeología Rafael O. Ortiz Mosquera Comité asesor del convenio Francisco Gutiérrez Comité asesor del convenio

Asesores Externos Antonio Franco Espinel Especialista en Estructuras Claudia Mayorga Estudios Económicos Raquel Duque Asesor de Calidad

Personal LEH José Urián Ingeniero de Proyecto Andrés Vargas Ingeniero de Proyecto Enif Medina Ingeniera de Proyecto Diana Cortés Ingeniera de Proyecto Lizeth Granados Ingeniera de Proyecto Juliana Duarte Coy Bióloga Auxiliar Mily Rocío González Aldana Ingeniera de Sistemas Alejandro Logueira Ingeniero Auxiliar Gabriela Forero Ingeniera Auxiliar Andrés Zuluaga Ingeniero Auxiliar Juliana Tacha Ingeniera Auxiliar Angélica Rodríguez Ingeniera Auxiliar Claudia Amaya Ingeniera Auxiliar Henry Rodríguez Administrador Lucas Bernal Peñuela Inspector de Exploración de suelos Leonor Martínez R. Dibujante Ma. De los Ángeles Rivera P. Secretaria Yajaira Ortiz Auxiliar Administrativo





LISTA DE INFORMES

CM - CD - 1: Informe Principal CM - CD - 2: Estudio de sedimentos en el Canal del Dique y su efecto en la Bahía de Cartagena CM - CD - 3: Modelación física del Río Magdalena en la bifurcación del Canal de Dique CM - CD - 4: Aspectos climáticos e hidrológicos de la ecorregión del Canal del Dique CM - CD - 5: Recopilación y síntesis de la información geológica y geomorfológica de la ecorregión del Canal de Dique CM - CD - 6: Estado limnológico de la ecorregión del Canal de Dique CM - CD - 7: Modelación Matemática, Hidráulica y de Calidad del Agua del Canal del Dique CM - CD - 8: Evaluación ambiental de la ecorregión del Canal del Dique CM - CD - 9: Evaluación de la Hidrogeología del bajo Canal del Dique CM - CD - 10: Exclusor de Sedimentos: Predimensionamiento de Obras CM - CD - 11: Exploración Geofísica del sector de Calamar





CONTENIDO

Pág. LISTA DE ANEXOS ............................................................................................................. 6 LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................ 7 LISTA DE TABLAS .............................................................................................................. 9 LISTA DE PLANOS............................................................................................................ 10 1. ASPECTOS GENERALES.......................................................................................... 11 2. CARACTERIZACIÓN DEL PROTOTIPO.................................................................... 12 2.1. DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO........................................................... 12 2.2. INFORMACIÓN DISPONIBLE ................................................................................. 14 2.3. ANÁLISIS GEOMORFOLÓGICO Y DE DINÁMICA FLUVIAL ................................. 16 2.4. ANÁLISIS DE LAS BATIMETRÍAS DEL PROTOTIPO 2002 Y 2005....................... 22 2.5. CARACTERIZACIÓN HIDROLÓGICA..................................................................... 23 2.6. CARACTERIZACIÓN HIDRÁULICA ........................................................................ 31 2.6.1. Aforos del río Magdalena ...................................................................................... 31 2.6.2. Aforos del Canal del Dique estación Incora k7 ..................................................... 35 2.7. CARACTERIZACIÓN SEDIMENTOLÓGICA........................................................... 39 2.7.1. Caracterización a partir de información de campo................................................ 39 2.7.2. Caracterización mediante modelos matemáticos ................................................. 43 3. CARACTERÍSTICAS DEL MODELO.......................................................................... 45 3.1. GENERALIDADES................................................................................................... 45 3.2. INSTRUMENTACIÓN DEL MODELO...................................................................... 45 3.2.1. Equipos para suministro y control de caudales líquidos ....................................... 45 3.2.2. Estructuras de suministro y control de caudales sólidos ...................................... 47 3.2.3. Instrumentación mecánica .................................................................................... 48 3.3. ESCALAS DE MODELACIÓN ................................................................................. 48 3.3.1. Similitud del transporte de fondo........................................................................... 49 3.3.2. Similitud del transporte en suspensión ................................................................. 49 3.3.3. Similitud para condiciones de decantación ........................................................... 50 3.3.4. Escala de tiempo sedimentológico........................................................................ 53 3.4. ESCALAS DEL MODELO FÍSICO DEL RÍO MAGDALENA .................................... 53 3.4.1. Granulometrías de prototipo y modelo.................................................................. 53 3.4.2. Densidades de los materiales sólidos usados en el modelo................................. 57 3.5. ENSAYOS Y MEDICIONES DE CALIBRACIÓN DEL MODELO............................. 58 3.6. PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE LAS MEDICIONES ....................................... 60 3.7. CONDICIONES DE FRONTERA Y SECCIONES DE CALIBRACIÓN .................... 60 3.7.1. Selección de las escalas del modelo .................................................................... 61 3.7.2. Condiciones generales de calibración .................................................................. 64





3.7.3. Limitaciones de la simulación ............................................................................... 65 4. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN A LA PROBLEMÁTICA DEL CANAL DEL DIQUE 68 4.1. ASPECTOS GENERALES DEL PROBLEMA SEDIMENTOLÓGICO ..................... 68 4.2. TASAS DE DERIVACIÓN DE SEDIMENTOS HACIA EL CANAL DEL DIQUE....... 69 4.3. SOLUCIONES PLANTEADAS PARA EL CONTROL DE LA SEDIMENTACIÓN.... 70 4.3.1. Alternativa I: Dos esclusas, una en Calamar y otra en el estrecho Rocha-Correa71 4.3.2. Alternativa II: Una sola esclusa de navegación en Calamar................................. 71 4.3.3. Alternativa III: Una Sola esclusa con estructura de control de sedimentos localizada en la región del Medio Canal del Dique ............................................................ 71 4.3.4. Alternativa IV: Estructura de control de sedimentos en el río Magdalena e interconexión de ciénagas. ................................................................................................ 72 4.3.5. Alternativa IV-A – CNR ......................................................................................... 73 4.3.6. Otras Alternativas – Universidad Nacional............................................................ 73 4.4. NECESIDAD DE LOS ESTUDIOS EN EL MODELO FÍSICO.................................. 73 4.5. MODELACIÓN FÍSICA DE LAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN......................... 74 4.5.1. Ensayo inicial de la condición actual..................................................................... 74 4.5.2. Alternativa IV – Universidad del Norte .................................................................. 75 4.5.3. Alternativa IV-A – CNR ......................................................................................... 77 4.5.4. Alternativas de exclusión de sedimentos a la entrada del Canal .......................... 82 5. CONCLUSIONES ....................................................................................................... 93 6. RECOMENDACIONES ............................................................................................... 96





LISTA DE ANEXOS

ANEXO: RESULTADOS DE LA MODELACIÓN FÍSICA





LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 2-1: Localización General del Canal del Dique....................................................... 12 Figura 2-2: Fotografía aérea del año 1947 ........................................................................ 17 Figura 2-3: Fotografía aérea del año 1965 y orillas de 1947 ............................................. 17 Figura 2-4: Fotografías aéreas del año 1974, orillas de 1947 y 1965................................ 18 Figura 2-5: Fotografías aéreas del año 1981, orillas de 1947, 1965 y 1974...................... 19 Figura 2-6: Fotografías aéreas del año 1988, orillas de 1947, 1965, 1974 y 1981............ 19 Figura 2-7: Fotografías aéreas del año 2004, orillas de 1947, 1965, 1974, 1981 y 1988.. 20 Figura 2-8: Geomorfología fluvial del río Magdalena en las inmediaciones del Canal del

Dique ................................................................................................................. 21 Figura 2-9: Estación Calamar. Curva de Calibración Nivel – Caudal. ............................... 24 Figura 2-10: Estación Incora K-7. Curva de Calibración Nivel – Caudal. .......................... 25 Figura 2-11: Estación Calamar. Histograma de caudales medios mensuales multianuales.

.......................................................................................................................... 25 Figura 2-12: Estación Calamar. Histograma de niveles medios mensuales multianuales. 26 Figura 2-13: Estación Incora K-7. Histograma de caudales medios mensuales

multianuales. Periodo 1984-2000...................................................................... 26 Figura 2-14: Estación Incora K-7. Histograma de niveles medios mensuales multinuales.

Periodo 1984-2000............................................................................................ 27 Figura 2-15: Estación Calamar. Curva de duración de caudales medios diarios. ............. 27 Figura 2-16: Estación Calamar. Curva de duración de niveles medios diarios.................. 28 Figura 2-17: Estación Incora K-7. Curva de duración de caudales medios diarios. .......... 28 Figura 2-18: Estación Incora K-7. Curva de duración de niveles medios diarios............... 29 Figura 2-19: Estación Calamar. Curva de excedencias de niveles medios diarios. .......... 30 Figura 2-20: Estación Incora K-7. Curva de excedencias de niveles medios diarios.

Periodo 1984-2000............................................................................................ 30 Figura 2-21: Estación Incora K-7. Curva de excedencias de caudales medios diarios ..... 31 Figura 2-22: Estación Calamar. Relación Área vs Caudal. 1972-2000.............................. 31 Figura 2-23: Estación Calamar. Relación Velocidad media vs Caudal. 1972-2000........... 32 Figura 2-24: Estación Calamar. Relación Radio Hidráulico vs Caudal. 1972-2000........... 32 Figura 2-25: Estación Calamar. Perímetro mojado vs Caudal. 1972-2000........................ 33 Figura 2-26: Estación Calamar. Profundidad hidráulica vs Caudal. 1972-2000 ................ 33 Figura 2-27: Ancho superficial vs Caudal. Estación Calamar. 1972-2000......................... 34 Figura 2-28: Estación Incora K-7. Área vs Caudal. 1973-2004.......................................... 35





Figura 2-29: Estación Incora K-7. Velocidad media vs Caudal. 1973-2004....................... 36 Figura 2-30: Estación Incora K-7. Radio Hidráulico vs Caudal. 1973-2004....................... 36 Figura 2-31: Estación Incora K-7. Perímetro mojado vs Caudal. 1973-2004..................... 37 Figura 2-32: Estación Incora K-7. Profundidad media vs Caudal. 1973-2004 ................... 37 Figura 2-33: Estación Incora K-7. Ancho superficial vs Caudal. 1973-2004...................... 38 Figura 2-34: Estación Calamar. Curva de calibración de carga total de sedimentos en

suspensión ........................................................................................................ 39 Figura 2-35: Estación Calamar. Curva de calibración de arenas en suspensión .............. 40 Figura 2-36: Incora K-7. Curva de calibración de carga total de sedimentos en suspensión

.......................................................................................................................... 40 Figura 2-37: Incora K-7. Curva de calibración de arenas en suspensión .......................... 41 Figura 2-38: Estación Calamar. Curva de duración de carga sólida medida total y de

arenas ............................................................................................................... 41 Figura 2-39: Estación Calamar. Curva de duración de material de lecho calculado

(suspensión y arrastre)...................................................................................... 42 Figura 2-40: Incora K-7. Curva de duración de carga sólida medida total y de arenas ..... 42 Figura 3-1: Granulometrías promedio del lecho en el prototipo y en el Canal del Dique... 54 Figura 3-2: Localización de las secciones de control para la calibración .......................... 61 Figura 4-1: Tasas de derivación de sedimentos en una difluencia de un cauce aluvial .... 69 Figura 4-2: Esquema de la Alternativa IV – UNINORTE en el modelo físico..................... 75 Figura 4-3: Alternativas de obras IV-A - CNR.................................................................... 78 Figura 4-4: Alternativas de obras IV-A-CNR: Compuerta sola sin esclusa a la entrada del

Canal, con espolón............................................................................................ 81 Figura 4-5: Cono de Deflexión del Exclusor Tipo L-Invertida............................................. 84 Figura 4-6: Esquema general del exclusor tipo L-Invertida en el Río Magdalena ............. 85 Figura 4-7: Estructura tipo L invertida, con dique permeable en el extremo...................... 87 Figura 4-8: Estructura en L invertida: Localización de secciones de control y limnímetros

en el modelo físico ............................................................................................ 88 Figura 4-9: Variación del caudal líquido y sólido derivado por el Canal del Dique con la

estructura de exclusión tipo L-Invertida............................................................. 90 Figura 4-10: Ensayo 20. L- invertida 1.5 m + 2.1 m + 0.5 m.............................................. 90 Figura 4-11: Ensayo 21. L- invertida 1.5 m + 1.7 m + 0.5 m.............................................. 91 Figura 4-12: Ensayo 22. L- invertida 1.5 m + 1.2 m + 0.5 m.............................................. 91 Figura 4-13: Ensayo 23. L- invertida 1.5 m +0.7 m + 0.5 m............................................... 92





LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 2-1: Variación temporal del ancho del depósito fluvial y del cauce.......................... 22 Tabla 2-2: Relación de información hidrosedimentológica utilizada .................................. 23 Tabla 2-3: Estación Calamar. Rango de variación de parámetros hidráulicos, de acuerdo

con aforos líquidos en el río Magdalena. Periodo 1989-2000........................... 35 Tabla 2-4: Rango de variación de parámetros hidráulicos, de acuerdo con aforos líquidos

en la estación Incora K-7. Canal del Dique ....................................................... 38 Tabla 2-5: Cargas de sedimentos en suspensión y arenas en suspensión en el Canal.... 43 Tabla 2-6: Parámetros hidráulicos calculados con Hec-Ras en el río Magdalena en el

sector de estudio, para el cálculo de sedimentos por el Método de Einstein.... 43 Tabla 2-7: Parámetros Hidráulicos del río Magdalena y el Canal del Dique...................... 44 Tabla 2-8: Carga total de sedimentos en el Canal del Dique............................................. 44 Tabla 3-1: Valores de hr para diferentes niveles de distorsión geométrica para Fr=1....... 52 Tabla 3-2: Granulometrías promedio de prototipo y modelo.............................................. 54 Tabla 3-3: Granulometrías promedio de prototipo y modelo por diámetros representativos

(en mm). ............................................................................................................ 54 Tabla 3-4: Granulometría de la Carga Sólida en Modelo y Prototipo según cálculo ......... 56 Tabla 3-5: Relación de caudales sólidos de alimentación por ensayo de calibración ....... 58 Tabla 3-6: Tiempo de operación, caudal líquido y caudal sólido de alimentación en los

ensayos de calibración...................................................................................... 59 Tabla 3-7: Distancia entre limnímetros del modelo físico .................................................. 59 Tabla 3-8: Relación de ensayos para análisis de calibración ............................................ 62 Tabla 3-9: Escalas principales de modelación para los diferentes ensayos de calibración,

con Dr=0.6......................................................................................................... 62 Tabla 3-10: Escalas de tiempo sedimentológico en los ensayos de calibración ............... 64 Tabla 3-11: Escalas del modelo físico ............................................................................... 64 Tabla 4-1: Experimentos con la estructura en L invertida.................................................. 86





LISTA DE PLANOS

Plano 1: Estructura del Modelo Físico. (Ref: 1106-10-001) Plano 2: Comparativo de orillas de 2002-2005. Isobatas para Junio de 2005. (Ref: 1107-

10-002)





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1. ASPECTOS GENERALES

La Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá y la Corporación del Río Grande de la Magdalena, firmaron el convenio interadministrativo 1-0037/05, para desarrollar el proyecto “Estudios e Investigaciones de las obras de restauración ambiental y de navegación del Canal del Dique”, dentro de cuyos alcances se ha trabajado en el Laboratorio de Ensayos Hidráulicos sobre un modelo físico de escala reducida con fondo móvil del sector del río Magdalena, entre las poblaciones de Barrancanueva y Puerto Niño, incluyendo los primeros kilómetros del Canal del Dique y un antiguo cauce del propio Canal del Dique denominado Caño Viejo.

El modelo constituye una herramienta práctica que ha permitido observar y estudiar algunos de los aspectos de cambio morfológico local, que puedan resultar de la operación de las diversas alternativas de solución propuestas, aportando información muy importante al proceso de selección de aquella que provea la mejor condición hidrosedimentológica en el Canal y las menores alteraciones sobre el cauce del río. De la misma manera, el modelo permite optimizar el diseño resultante de las obras, cuyo dimensionamiento dependerá de sus efectos sobre la morfología del cauce.

El presente informe tiene como fin presentar las características hidráulicas y sedimentológicas del sector del río Magdalena y del Canal del Dique requisito para definir las escalas del modelo y las condiciones de similitud que han permitido establecer la validez del modelo y de los resultados que se obtienen del mismo.





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2. CARACTERIZACIÓN DEL PROTOTIPO

Para representar adecuadamente al prototipo en un modelo físico, es necesario contar con un conocimiento hidráulico y sedimentológico previo del primero, con base en mediciones hidráulicas, hidrológicas, sedimentológicas, y de dinámica y morfología fluvial históricas, que permitan su caracterización.

2.1. DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO

El Canal del Dique está localizado en la zona norte de Colombia, en la parte baja del río Magdalena, y tiene una longitud, entre su entrada en Calamar y su desembocadura en la bahía de Cartagena, de 115 km. Su cuenca hidrográfica alcanza los 4400 km2 de extensión. La localización general se muestra en la Figura 2-1.

Figura 2-1: Localización General del Canal del Dique

El Canal del Dique posee un extenso sistema cenagoso que se interconecta con él, conformado por las ciénagas de Jobo, Guájaro, Capote, Luisa, Zarzal, Matuya, Aguas





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Claras, María La Baja y Juan Gómez, algunas de las cuales sirven de abastecimiento a distritos de riego como Repelón, Santa Lucía y María La Baja y a los acueductos de San Onofre, Cartagena, Santa Lucía, Repelón, Luruaco, Manatí, Arjona, San Cristóbal, San Estanislao, Soplaviento, Turbaná, Turbaco, Villanueva, Calamar, Mahates y María La Baja.

La cuenca del Canal del Dique con su amplio complejo de ciénagas constituye un extenso sistema deltaico que amortigua y regula el flujo de agua fresca hacia el mar, esparciendo las aguas y sus sedimentos sobre amplias zonas de inundación durante las épocas de creciente del río Magdalena, aumentando los niveles de la zona de tierra firme y alimentando una amplia zona de pantanos y humedales de inmensa riqueza ecológica. CORMAGDALENA (1999), dividió la zona del Canal en tres sectores teniendo en cuenta sus características fisiográficas, hidrológicas y topográficas: El primero corresponde al Alto Canal del Dique, en jurisdicción de los municipios de Calamar, Arroyo Hondo, Soplaviento, y San Cristóbal; el Medio Canal del Dique, en Mahates, Arjona, María La Baja y San Estanislao; y el Bajo Canal del Dique, los municipios de María La Baja, Arjona y Turbaná, éste último sector conformado en su mayor parte por ecosistemas de manglar.

El Complejo Cenagoso del Canal del Dique se dispone a lado y lado de su curso, y constituye una región óptima para el desarrollo de diversas especies de fauna y flora terrestres y acuáticas de importancia ecológica y económica para la región.

A través del caño Correa, el Canal del Dique presenta tres salidas diferentes al mar situadas al suroeste de la bahía de Barbacoas, y aguas abajo de la deriva litoral del Caribe colombiano. Uno de estos ramales, denominado “Boca Cerrá” conecta con el sistema de ciénagas de “La Honda”, y con un caño adicional hoy totalmente cerrado que se conoce como caño Baya. A través de los caños Matunilla y Lequerica, el Canal del Dique presenta otras desviaciones de caudal hacia la bahía de Barbacoas, además de la desembocadura principal hacia la bahía de Cartagena en la población de Pasacaballos.

En el año 1650, en el término de muy pocos meses, según cuenta la historia, con equipos de construcción rudimentarios y mucha mano de obra esclava, se conformó una vía navegable para las embarcaciones de entonces, a lo largo de caños y ciénagas preexistentes entre la población de Calamar y la zona estuarina de la llamada ciénaga de Matuna que conformaba la porción deltaica del río Magdalena en su sector occidental, siendo entonces un sistema de aguas salobres e islotes. De este trabajo original y a través de múltiples reconformaciones y dragados posteriores surge el Canal del Dique, que desde entonces ha representado un componente de fundamental importancia dentro del sistema de transporte fluvial, especialmente de carga. Actualmente, según datos del Ministerio de Transporte del año 2003, el 85 % de la carga que se transporta por el río Magdalena se desplaza por el Canal, constituida principalmente por carbón y petróleo.

Los caudales derivados del Río Magdalena por el Canal del Dique se han visto incrementados en 143 m3/s luego de la última rectificación, pasando de 397 m3/s en promedio para el periodo anterior a la rectificación (1975-1983) a 540 m3/s en la actualidad. De los 540 m3/s que transporta el Canal, llegan a la bahía de Cartagena en promedio 160 m3/s entregados en Pasacaballos, correspondiendo apenas al 30% del total. Por otra parte, a la bahía de Barbacoas llega el 29% del caudal distribuyéndose en





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un 23% por el caño Matunilla y un 6% por el caño Lequerica; mientras que otro 15% se entrega al mar Caribe por el caño Correa. El restante 26% se deriva hacia el sistema cenagoso periférico del Canal, que incluye el Embalse de El Guájaro (departamento del Atlántico).

La sedimentación en la bahía de Cartagena ha sido evidente desde 1970, en tanto que la entrega de sedimentos hacia el mar y hacia la bahía de Barbacoas ha sido evidente en la época geológica reciente y aparece documentada en los planos históricos de los últimos 500 años. Sin embargo, del total de 151 MTon/año que transporta el río Magdalena en Calamar, hoy en día solo el 7.3%, es decir 11 MTon/año, son derivadas hacia el Canal del Dique, y los volúmenes promedio aportados a la bahía de Cartagena sobrepasan apenas los 2.2 MTon/año, que representan el 18% de los sedimentos que ingresan al Canal por Calamar; algo más de 2.7 MTon/año salen a la bahía de Barbacoas (25%), y 1.4 MTon/año al mar por el caño Correa (13%), en tanto que 1.7 MTon son dragados anualmente (16%), y aproximadamente 3.2 MTon/año (29%) se deposita por desborde en el sistema cenagoso.

Un reciente estudio del CIOH en la bahía de Cartagena, basado en la comparación de batimetrías de diferentes épocas y en la toma de numerosas muestras de sedimentos en su interior, indica que la sedimentación total en la bahía, entre 1977 y 2004, considerando todas las posibles fuentes de sedimento, alcanza a unos 26.8 Mm3 para el periodo de 27 años, lo cual representa 1 Mm3/año, casi la mitad de la carga aportada por el Canal; el resto, siendo muy fino, escaparía hacia fuera de la bahía. Estos volúmenes no deben considerarse muy altos, ya que pueden ser fácilmente dragados y dispuestos de forma conveniente dentro o fuera de la bahía. De hecho, el aporte de sedimentos hacia la bahía de Barbacoas, de área bastante inferior, es más preocupante, lo mismo que los aportes hacia el mar abierto por el caño Correa, que, sin embargo, deben considerarse benéficos desde el punto de vista de conformación de playas a lo largo de la zona costera.

Tanto los primeros 10 Km como los últimos 10 Km del Canal son propensos a la sedimentación, pero actualmente son dragados anual o bianualmente por CORMAGDALENA, sin que efectivamente se presenten problemas de navegación durante el año en el Canal. El resto del recorrido del Canal presenta una capacidad de transporte sedimentológico compatible con los volúmenes y tamaños de los sedimentos que le llegan, y no da lugar a dragados periódicos.

Dado que los acueductos de Cartagena y de 21 localidades más se abastecen de las aguas del Canal, directamente o de algunas de las ciénagas circundantes, el problema de las altas concentraciones de sedimento en las aguas del Canal se percibe como un problema grave, particularmente, en algunas áreas de desarrollo turístico y residencial de la isla de Barú, en el desarrollo industrial de Mamonal y en otras zonas aledañas a la desembocadura del Canal en Pasacaballos y en la bahía de Barbacoas.

2.2. INFORMACIÓN DISPONIBLE

Se realizó una descripción de la dinámica fluvial y de la geomorfología del sector con base en fotografías aéreas del Instituto Geográfico Agustín Codazzi - IGAC y en levantamientos topográficos y batimétricos realizados por la Universidad del Norte y el LEH-UN.





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Para los fines de esta modelación, en julio de 2005 el Laboratorio de Ensayos Hidráulicos de la Universidad Nacional (LEH-UN), realizó un levantamiento topográfico y batimétrico del río Magdalena en una longitud de aproximadamente 10 km en el río Magdalena (a partir de la isla Becerra), y de 2 km en el sector inicial del Canal del Dique. Además se levantaron 7 aforos líquidos, 4 aforos sólidos, y se tomaron 23 muestras de material del lecho.

Igualmente, en el presente estudio se contó con información hidrométrica de las estaciones del IDEAM ubicadas en Calamar (río Magdalena) y a lo largo del Canal del Dique, y con la información de aforos líquidos y sólidos levantada por el Laboratorio de las Flores de la Universidad del Norte y el Laboratorio de Ensayos Hidráulicos de la Universidad Nacional, para un gran total de 210 aforos tomados en Calamar, a lo largo del Canal del Dique y en sitios estratégicos como caños, conexiones y bocas.

Tanto la caracterización del prototipo como la calibración del modelo físico, se realizaron con base en la información disponible en las estaciones de Calamar e Incora K-7 del IDEAM, la cual se indica a continuación:

• Registros de Caudales medios diarios de la estación Calamar (río Magdalena), de los años 1971 a 2000.

• Registros de Caudales medios diarios de la estación INCORA K7 (Canal del Dique), de los años 1973 a 2000.

• Registros de Niveles medios diarios de la estación Calamar (río Magdalena), de los años 1971 a 2000.

• Registros de Niveles medios diarios de la estación INCORA K7 (Canal del Dique), de los años 1973 a 2000.

• Registros de Niveles medios diarios de la estación San Pedrito (río Magdalena), de los años 1979 a 2000.

• Aforos líquidos de la estación Calamar (río Magdalena) desde 1972 hasta el año 2000. En total son 160 aforos, discriminados así: 150 del IDEAM, 6 de la Universidad del Norte y 4 de Estudios y Asesorías Ltda.– Minambiente.

• Aforos líquidos de la estación Incora K7 (Canal del Dique) desde 1972 hasta el año 2004. En total son 173 aforos, así: 163 del IDEAM, 5 de la Universidad del Norte, 4 de Estudios y Asesorías Ltda. – Minambiente y 1 de la Universidad Nacional.

• Aforos sólidos de la estación Calamar (río Magdalena) desde el año 1982 hasta el año 1984. En total son 37 aforos, así: 10 del IDEAM, 5 de la Universidad del Norte, 18 del Laboratorio de Ensayos Hidráulicos y 4 de Estudios y Asesorías Ltda.– Minambiente.

• Aforos sólidos de la estación Incora K7 (Canal del Dique) desde el año 1982 hasta el año 2004. En total son 29 aforos, así: 2 del IDEAM, 9 de la Universidad del Norte, 14 del Laboratorio de Ensayos Hidráulicos y 4 de Estudios y Asesorías – Minambiente.





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• Aforos sólidos desde la entrada del Canal del Dique hasta la estación Incora K7 desde el año 1982 hasta el año 2004. En total son 29 aforos, así: 2 del IDEAM, 9 de la Universidad del Norte, 14 del Laboratorio de Ensayos Hidráulicos y 4 de Estudios y Asesorías Ltda..– Minambiente.

2.3. ANÁLISIS GEOMORFOLÓGICO Y DE DINÁMICA FLUVIAL

Se realizó el análisis de información aerofotográfica multitemporal y planimetría básica para establecer la variación de las orillas del río y se consultaron los estudios geomorfológicos del sector para conocer el comportamiento del prototipo en la zona modelada. Dado que el modelo físico no permite estudiar la evolución de las orillas del río, se ha trabajado con la condición morfológica existente en noviembre de 2002, mes para el cual se posee información batimétrica suficiente para fijar con precisión las secciones del cauce. El levantamiento batimétrico de junio de 2005 se realizó ocho meses después de haber fijado orillas en el modelo y de haber iniciado su calibración a partir del levantamiento anterior (2002), de tal manara que se cuenta con una segunda información batimétrica que permitiría analizar la evolución del cauce utilizando el hidrograma correspondiente.

La descripción geomorfológica y de dinámica fluvial del sector se realizó con base en fotografías aéreas del IGAC1 de los años 1947, 1965, 1974, 1981, 1988 y 2004, y los levantamientos topográficos y batimétricos de noviembre de 2002 y julio de 2005, realizados por la Universidad del Norte y el LEH -UN, respectivamente.

Cada faja de fotografías aéreas se manipuló en cuanto a su escala para permitir la superposición de fotos de los diversos vuelos sobre un levantamiento topográfico de la parte urbana de Calamar y las vías que comunican las poblaciones de Barrancanueva con Calamar (sobre la margen izquierda del río Magdalena), y Pedraza con Puerto Niño ( sobre la margen derecha). Luego de encontrar la escala correcta para cada serie de fotografías aéreas, se delinearon las orillas izquierda, derecha e islas, y se compararon los trazados de los diferentes años para analizar la evolución del sector.

A continuación se presentan las fotografías aéreas para cada año considerado, con un gráfico comparativo de orillas en cada una de éstas.

Las fotografías aéreas del año 1947 (Figura 2-2), muestran la zona urbana de Calamar y el sector de Puerto Niño. Como se mostrará más adelante, en general, la margen izquierda entre Barrancanueva y Calamar ha sido estable desde esta fecha, en un periodo de casi 60 años. Por el contrario, la zona frente a la entrada del Canal del Dique, en Puerto Niño, está conformada por depósitos aluviales de baja resistencia.

1 IGAC: Instituto Geográfico Agustín Codazzi





17

Figura 2-2: Fotografía aérea del año 1947

En la Figura 2-3 aparecen delineadas las orillas correspondientes al año 1947 sobre la fotografía aérea del año 1965. Allí se puede apreciar la misma condición morfológica en la zona de estudio.

Figura 2-3: Fotografía aérea del año 1965 y orillas de 1947





18

En la Figura 2-4 se muestran las orillas correspondientes a los años 1947 y 1965 sobre la fotografía aérea del año 1974, en la cual se puede observar un retroceso de la orilla derecha aguas arriba de Puerto Niño.

Figura 2-4: Fotografías aéreas del año 1974, orillas de 1947 y 1965

La Figura 2-5 contiene las fotografías aéreas del sector entre Barrancanueva y San Pedrito del año 1981 y las orillas correspondientes a los años 1947, 1965 y 1974. Se observa un retroceso de la orilla en la margen derecha entre Pedraza y Puerto Niño, entre los años 1974 y 1981 de hasta 210 m, y una recuperación en la orilla aguas abajo de Puerto Niño frente a San Pedrito, de 290 m. Se puede apreciar la iniciación de la formación de la Isla La Loca frente a la población de Calamar.

En la Figura 2-6 se puede apreciar la formación de varias islas en el brazo derecho de la isla Becerra, frente a la población de Pedraza. Aguas arriba de Puerto Niño, sobre la margen derecha, se puede observar el retroceso de 310 m de la orilla entre los años 1981 y 1988 y a su vez el mayor tamaño que presenta la isla La Loca.





19

Figura 2-5: Fotografías aéreas del año 1981, orillas de 1947, 1965 y 1974

Figura 2-6: Fotografías aéreas del año 1988, orillas de 1947, 1965, 1974 y 1981

En la orilla derecha, frente a Puerto Niño, se observa un retroceso de 560 m entre los años 1988 y 2004, llegando al límite de la formación de sedimentos de resistencia media, ver Figura 2-6. Adicionalmente, se observa que la isla La Loca se ha desplazado hacia aguas abajo, mostrando un mayor tamaño y consolidación, creándose un canal importante entre ésta y la isla Becerra.

Como se advirtió, la orilla izquierda entre Barrancavieja y Calamar ha permanecido estable a pesar de que el río hace una curva al cambiar su dirección de Oeste-Este a Sur-Norte, tal como se muestra en la Figura 2-7, lo cual puede atribuirse a la presencia de afloramientos de roca consolidada dicha curva, desde Guaiquirí hasta Barrancanueva sobre la margen izquierda.





20

Figura 2-7: Fotografías aéreas del año 2004, orillas de 1947, 1965, 1974, 1981 y 1988

En la Figura 2-8 se presenta un plano geomorfológico del sector de estudio, tomado del Plan de Restauración Ambiental - Ediciones Uninorte - 2001, referencia en la cual puede observarse algunos puntos de resistencia alta, luego de que el río cambia de dirección en Yucal, manteniéndose dicho control hasta Barrancanueva y Pedraza, a partir del cual el grado de resistencia a la erosión del material fluvial se torna de grado medio por la margen izquierda, contribuyendo así a que esta margen sea estable hasta la entrada del Canal del Dique. Por el contrario, entre Pedraza y el Cerro de San Antonio, margen derecha del río Magdalena, el grado de resistencia del material fluvial es bajo, explicándose así los grandes cambios morfológicos del río observados en el sector. La Tabla 2-1 presenta una comparación del ancho del depósito fluvial tomado de las fotografías aéreas del año 1981 y de los diferentes anchos del cauce en cada año, según lo analizado anteriormente.

La isla Becerra ha permanecido estable en los últimos 60 años, indicando una gran estabilidad, la cual podría explicarse por la presencia de rocas consolidadas de resistencia alta, aguas arriba de la isla, por las dos márgenes entre Yucal y Pedraza.





21

Figura 2-8: Geomorfología fluvial del río Magdalena en las inmediaciones del Canal del Dique

Tomado del libro: Plan de Restauración Ambiental. Ediciones Uninorte. 2001





22

2.4. ANÁLISIS DE LAS BATIMETRÍAS DEL PROTOTIPO 2002 Y 2005

El Plano 2 muestra los resultados de levantamientos topobatimétricos del sector modelado del río Magdalena para los periodos enero 25 de 2002, y de Junio 14 al 18 de 2005; estos levantamientos indican las tendencias generales recientes de comportamiento morfológico del sector y son de interés para la modelación. En general se puede ver que las tendencias de distribución del caudal en los dos brazos de la isla Becerra son similares, y así también los dos brazos de la isla La Loca, excepto que el desarrollo de esa isla, como lo muestra el análisis morfodinámico basado en fotografías aéreas que se presentó anteriormente, ha sido intenso y progresivo desde 2000, y se ha manifestado por un ataque muy fuerte sobre la margen derecha del río en el sector de Puerto Niño, que ha dado como resultado la pérdida de 150 a 200 m de orilla al presente, y amenaza continuar en el futuro próximo. Es de anotar que el ensanchamiento de la sección en esta zona, directamente en frente a la entrada del Canal del Dique, puede producir cambios en el comportamiento de la derivación, que será necesario atender.

De interés también es el análisis del canal entre las dos islas, que parece estar en vía de ensanchamiento y profundización, tendencia que se manifiesta también en el modelo, y la conformación de los fondos frente a la entrada del canal que es muy característica y muestra siempre un ascenso a medida que se entra al Canal. Este aumento del nivel del fondo es el resultado de la depositación de los materiales arenosos más gruesos, que deben ser removidos a una tasa de 600,000 m3/año, (900,000 Ton/año), en la llamada “trampa de sedimentos” de Calamar, conformada dentro de los primeros 1.5 Km del Canal.

Tabla 2-1: Variación temporal del ancho del depósito fluvial y del cauce.

1947

1965

1975

*

1981

1988

1991

*

1993

*

1994

*

1995

*

1996

*

1997

*

2002

2004

2005

1492 1250 1130 1140 1120 1100 1000 1150 990

1494 2100 1040 2100 2100 850 2100 2130 2120

1496 2600 1190 2250 2220 1140 1220 1160 2250 2220 2230

1498 2200 750 1000 820 1300 1450 940 1120 870 800 1570 1520 1560

1500 1700 540 540 550 550 590 780 740 810 900 970 1000 1100 1200 1320

1502 1700 880 880 630 620 620 720 730 710 500 660 680 780 750 800

ANCHO DEPÓSITO

FLUVIAL (m)

ANCHO DEL CAUCE (m)

AB

SCIS

A (K

m)

El ancho del depósito fluvial se define como el material más reciente, el cual es de resistencia baja. *Tomado del “Plan de Restauración Ambiental”. Ediciones Uninorte. 2001. Abscisado de acuerdo con la Universidad del Norte:

K-1493 Pedraza (margen derecha) y Barrancanueva (margen izquierda) K-1500 Iglesia de Calamar K-1502 Bocatoma en San Pedrito

En el Plano 2 se observan las orillas obtenidas de los levantamientos batimétricos de los años 2002 y 2005. Estos levantamientos muestran las tendencias recientes de comportamiento morfológico del sector, y son de interés para la modelación. En el mismo plano se comparan las secciones transversales, lo cual permite evidenciar que en el año 2002 el canal principal aguas arriba de la isla Becerra se encontraba recostado sobre la margen derecha, situación que evolucionó hacia un canal de profundidad uniforme. Luego el flujo se bifurca a lado y lado de la isla Becerra siendo, para las dos fechas analizadas,





23

mayor el caudal por el brazo derecho, el cual se profundizó en un promedio de 4 m durante este periodo de tiempo. La profundidad del brazo izquierdo de la isla La Loca se disminuye en un promedio de 3 m, manteniéndose el ancho del canal.

En la sección No. 3, es decir aguas arriba de la estación hidrométrica de Calamar, el brazo derecho amplía su cauce en aproximadamente 100 m, sin variar el límite de la isla, pero sí la orilla de Puerto Niño. A la altura de la sección No.4, el límite de la isla avanza 60 m hacia el brazo derecho, y así mismo la orilla sobre Puerto Niño ya ha avanzado 180 m, aproximadamente y, a su vez se profundiza el canal 3 m en promedio. Es de anotar que el ensanchamiento de la sección frente a la entrada del Canal del Dique, puede producir cambios en el comportamiento de la derivación.

Desde aguas arriba de la isla Becerra hasta frente a Calamar, el flujo principal se mantiene sobre el brazo derecho del Río Magdalena, cambiando esta condición sólo aguas abajo de San Pedrito.

Como se mencionó atrás, el canal entre las dos islas, parece estar en vía de ensanchamiento y profundización, y la conformación de los fondos frente a la entrada del canal muestra un ascenso a medida que se entra al Canal como resultado de la depositación de los materiales arenosos más gruesos.

2.5. CARACTERIZACIÓN HIDROLÓGICA

En el numeral 2-2, se relacionaron los registros disponibles para la caracterización del prototipo en el sector de modelación física. Un resumen de los registros de niveles y caudales medios diarios y aforos líquidos y sólidos obtenidos del IDEAM, se relacionan a continuación:

Tabla 2-2: Relación de información hidrosedimentológica utilizada Cota cero de la mira Aforos

Estación (msnm)

Niveles medios diarios

Caudales medios diarios Líquidos Sólidos

RíO MAGDALENA Calamar (LM) -0.2 1971 – 2000*1 1971 –

1985*1 1972 – 2001*2 1982 - 2000*2

San Pedrito (LM)

0.0 1972-2000*1

CANAL DEL DIQUE Incora K7(LG) 0.0 1972 – 2000*1 1972 –

1997*1 1973 – 2004*2

1985 –2000*2

LG: Limnigráfica LM: Limnimétrica *1Registros IDEAM. *2 Registros IDEAM, LEH-Universidad Nacional, Universidad del Norte, Estudios y Asesorías.

De acuerdo con la información del río Magdalena en la estación hidrométrica de Calamar, se pudo observar una diferencia entre los parámetros hidráulicos del periodo 1972 a 1988,





24

y 1989-2000, lo cual puede deberse al cambio en las condiciones morfológicas del sector (frente a la estación hidrométrica), como puede observarse en la Figura 2-6, en donde la influencia de la isla La Loca se hace evidente.

En la estación Incora K-7, sobre el Canal del Dique, se observa también una diferencia en el comportamiento de los parámetros hidráulicos, para los periodos 1972-1983 y 1984-2000, que se explica por las obras de rectificación y ampliación realizadas en el Canal.

Las curvas de calibración Nivel vs Caudal de las estaciones hidrométricas de Calamar e Incora K-7, para los periodos de información 1989-2000 y 1984-2000, respectivamente, se presentan en la Figura 2-8 y Figura 2-9.

En la Figura 2-10 a la Figura 2-13 se muestran los histogramas de niveles y caudales medios mensuales multianuales para las estaciones Calamar e Incora, indicando un ciclo hidrológico anual, con un período de niveles bajos desde finales de febrero hasta abril, un período de niveles medios entre mayo y agosto, y el período de niveles altos, entre septiembre y diciembre, destacando a enero como un mes de transición entre los niveles altos y los bajos.

Figura 2-9: Estación Calamar. Curva de Calibración Nivel – Caudal.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Caudal (m3/s)

Niv

el (m

snm

)

AFOROS DESDE 1989

Curva de calibración LEH-UNQ =0.168(Nivel+12.295)3.695

R2 = 0.860





25

Figura 2-10: Estación Incora K-7. Curva de Calibración Nivel – Caudal.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 200 400 600 800 1000 1200

Caudal (m3/s)

Niv

el (m

.s.n

.m)

Aforos IDEAM Aforos LEH-UN

NOTA: Cero de mira 0 msnm; según el IDEAM

Curva de calibración LEH-UNQ = 22.02(H+0.6)1.82 ; para H < 6.2 m.s.n.mQ = 4.03(H+1.5)2.55 ; para H ≥ 6.2 m.s.n.m

R2=0.94

Figura 2-11: Estación Calamar. Histograma de caudales medios mensuales

multianuales.

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

16,000

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

Mes

Cau

dal (

m3 /s

)

Mínimo Promedio Máximo





26

Figura 2-12: Estación Calamar. Histograma de niveles medios mensuales multianuales.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10


Mes

Niv

el m

edio

(msn

m)


Figura 2-13: Estación Incora K-7. Histograma de caudales medios mensuales

multianuales. Periodo 1984-2000

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400


Mes

Cau

dal (

m3 /s

)






27

Figura 2-14: Estación Incora K-7. Histograma de niveles medios mensuales multinuales. Periodo 1984-2000

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre

Mes

Niv

el m

edio

(msn

m)


Utilizando los registros de caudal y nivel medios diarios de las estaciones, se han obtenido las curvas de duración correspondientes (Figura 2-14 a Figura 2-17), en las cuales se pueden observar las características principales de la respuesta hidrológica de los cauces en el sector de interés.

Figura 2-15: Estación Calamar. Curva de duración de caudales medios diarios.

1000

10000

100000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100% TIEMPO IGUALADO O EXCEDIDO

CA

UD

AL

(m3 /s

)





28

Figura 2-16: Estación Calamar. Curva de duración de niveles medios diarios.

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

%TIEMPO IGUALADO O EXCEDIDO

NIV

EL M

EDIO

DIA

RIO

(m

snm

)

Nota: Cota cero de la mira: -0.2 msnm, según IDEAM Figura 2-17: Estación Incora K-7. Curva de duración de caudales medios diarios.

1000

10000

100000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% TIEMPO IGUALADO O EXCEDIDO

CA

UD

AL

(m3 /s

)





29

Figura 2-18: Estación Incora K-7. Curva de duración de niveles medios diarios.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% TIEMPO IGUALADO O EXCEDIDO

NIV

EL M

EDIO

DIA

RIO

(m

snm

)

Nota: Cota cero de la mira: 0 msnm, según IDEAM La observación de las curvas de duración de niveles y de caudales de las estaciones hidrométricas permite deducir un régimen de flujo similar, de cuya cubicación se ha obtenido el valor medio anual en cada una de las estaciones, así: 7163 m3/s en Calamar (río Magdalena), y 540 m3/s en Incora K-7 (Canal del Dique). Así mismo, el nivel medio anual en Calamar e Incora K-7 es de 5.28 y 4.92 msnm, respectivamente.

El procesamiento de los registros ha permitido, además, obtener las curvas de excedencias de caudal y de nivel, que se presentan en la Figura 2-18 a la Figura 2-21, obviamente consecuentes con la tendencia de variación anual de los histogramas.





30

Figura 2-19: Estación Calamar. Curva de excedencias de niveles medios diarios.

Figura 2-20: Estación Incora K-7. Curva de excedencias de niveles medios diarios.

Periodo 1984-2000

Periodo 1984-2000. Tomada del Anexo de Aspectos Climáticos e Hidrológicos





31

Figura 2-21: Estación Incora K-7. Curva de excedencias de caudales medios diarios

2.6. CARACTERIZACIÓN HIDRÁULICA

2.6.1. Aforos del río Magdalena

Las gráficas de los parámetros hidráulicos de área, velocidad media, radio hidráulico, perímetro mojado, ancho superficial y profundidad hidráulica vs. Caudal, de la estación de Calamar para el periodo 1973 – 2000, se presentan en la Figura 2-22 a la Figura 2-27.

Figura 2-22: Estación Calamar. Relación Área vs Caudal. 1972-2000

A= 15.46 Q0.6822

R2 = 0.9306

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000Caudal (m3/s)

Áre

a (m

2 )

PERIODO 1972-1988

PERIODO 1989-2000

TENDENCIA 1989-2000

.





32

Figura 2-23: Estación Calamar. Relación Velocidad media vs Caudal. 1972-2000

V = 0.0645 Q0.318

R2 = 0.7441

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000Caudal (m3/s)

Velo

cida

d m

edia

(m/s

)

PERIODO 1972-1988

PERIODO 1989-2001

TENDENCIA 1989-2000

Figura 2-24: Estación Calamar. Relación Radio Hidráulico vs Caudal. 1972-2000

Rh = 3.6876 Ln Q - 25.815R2 = 0.8664

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000Caudal (m 3/s)

Rad

io h

idrá

ulic

o (m

)

PERIODO 1972-1988

PERIODO 1989-2000

TENDENCIA 1989-2000





33

Figura 2-25: Estación Calamar. Perímetro mojado vs Caudal. 1972-2000.

P = 428.69 Q0.0924

R2 = 0.3326

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Caudal (m3/s)

Perím

etro

moj

ado

(m)

PERIODO 1972-1988

PERIODO 1989-2000

TENDENCIA 1989-2000

Figura 2-26: Estación Calamar. Profundidad hidráulica vs Caudal. 1972-2000

D = 0.0357 Q0.5912

R2 = 0.8473

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Caudal (m3/s)

Prof

undi

dad

Med

ia (m

)

PERIODO 1972-1988

PERIODO 1989-2000

TENDENCIA 1989-2000





34

Figura 2-27: Ancho superficial vs Caudal. Estación Calamar. 1972-2000.

T = 432.71 Q0.091

R2 = 0.3244

0

200

400

600

800

1000

1200

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000Caudal (m3/s)

Anc

ho s

uper

ficia

l (m

)

PERIODO 1972-1988

PERIODO 1989-2000

TENDENCIA 1989-2000

El análisis de los aforos permite establecer un cambio en el comportamiento de los parámetros hidráulicos en la estación de Calamar a partir del año 1989, cambio que pudo deberse a la ampliación del Canal del Dique, cuyo caudal medio aumentó en una proporción del 54%, y a la conformación frente a la estación de Calamar, de la Isla La Loca, como se pudo apreciar en el análisis de dinámica fluvial.

El rango de variación de los diferentes parámetros hidráulicos medidos durante el periodo 1989-2000, el cual sirvió de base para el cálculo de las escalas del modelo físico, se presenta en la Tabla 2-3.

Al comparar la tendencia de variación del área media de los periodos analizados, se observa que el área promedio para un caudal de 12000 m3/s fue del 26% mayor en el periodo 1989-2000 que el promedio medido en el periodo 1972-1988, lo cual indujo una reducción en la velocidad media en la misma proporción.

De forma general, las tendencias en parámetros como radio hidráulico, perímetro mojado, ancho superficial y profundidad media muestran un incremento para el periodo 1989-2000, y lucen paralelas a las del periodo anterior. Las mediciones de perímetro mojado y ancho superficial aumentaron en promedio un 65% y presentan una baja correlación no mayor al 0.33; y las mediciones de radio hidráulico y profundidad media aumentaron en un promedio del 40%, pero por el contrario, su correlación fue de 0.866 y 0.847, respectivamente.





35

Tabla 2-3: Estación Calamar. Rango de variación de parámetros hidráulicos, de acuerdo con aforos líquidos en el río Magdalena. Periodo 1989-2000

Rangos de variación según aforos líquidos En la estación calamar Parámetros hidráulicos

Valor máximo Valor mínimo Caudal, Q (m3/s) 12,444 2,832 Ancho superficial, T (m) 1,131 832 Área, A (m2) 9,497 3,889 Profundidad media, D (m) 8.9 4.0 Velocidad media, V (m/s) 1.38 0.68 Perímetro hidráulico, P (m) 1,135 834 Radio hidráulico, Rh (m) 4.0 8.9

2.6.2. Aforos del Canal del Dique estación Incora k7

De acuerdo con los aforos líquidos en la estación de Incora K-7 (ubicada en realidad en la abscisa K6+500), en el Canal del Dique, se ha establecido una tendencia para las mediciones tomadas en el periodo 1972-1984, y otra para 1984-2002. Esta diferencia que se observa en las figuras que se presentan a continuación, se debe a las obras de dragado y rectificación realizadas entre los años 1981 y 1984, lo que a su vez, pudo influir en el cambio morfológico producido en la entrada del Canal del Dique, frente a Calamar, en donde para 1989 se produjo una ampliación del cauce y se empieza la formación de la isla la Loca.

En la Figura 2-28 a la Figura 2-33 se presentan las gráficas que relacionan los diferentes parámetros hidráulicos con el caudal, realizadas con base en los aforos líquidos medidos en la estación. Dichas gráficas muestran un descenso promedio de 1.0 m en el nivel para el mismo caudal, antes y después de la rectificación, debido a la ampliación de la sección hidráulica (8.5%), lo cual a su vez produjo una disminución en la velocidad media (8.5%), a pesar del incremento de un 30% en el caudal que ingresa al Canal.

Figura 2-28: Estación Incora K-7. Área vs Caudal. 1973-2004

A = 19.183 Q0.5366

R2 = 0.9448

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400Caudal (m 3/s)

Áre

a (m

2 )

PERIODO 1973-1983PERIODO 1984-2004TENDENCIA 1984-2004





36

Figura 2-29: Estación Incora K-7. Velocidad media vs Caudal. 1973-2004

V = 0.052 Q0.4636

R2 = 0.9272

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Caudal (m 3/s)

Velo

cida

d m

edia

(m

/s)


Figura 2-30: Estación Incora K-7. Radio Hidráulico vs Caudal. 1973-2004

Rh = 0.3812 Q0.4284

R2 = 0.9184

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Caudal (m 3/s)

Rad

io h

idrá

ulic

o (m

)

PERIODO 1973-1983

PERIODO 1984-2004

TENDENCIA 1984-2004

.





37

Figura 2-31: Estación Incora K-7. Perímetro mojado vs Caudal. 1973-2004

P = 50.309 Q0.1082

R2 = 0.8909

0

20

40

60

80

100

120

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Caudal (m3/s)

Perím

etro

moj

ado

(m)

PERIODO 1973-1983PERIODO 1984-2004

TENDENCIA 1984-2004

.

Figura 2-32: Estación Incora K-7. Profundidad media vs Caudal. 1973-2004

D = 0.3606 Q0.4432

R2 = 0.9213

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 200 400 600 800 1000 1200 1400Caudal (m3/s)

Prof

undi

dad

med

ia (m

)


.





38

Figura 2-33: Estación Incora K-7. Ancho superficial vs Caudal. 1973-2004

T = 53.185 Q0.0935

R2 = 0.8308

0

20

40

60

80

100

120

0 200 400 600 800 1000 1200 1400Caudal (m3/s)

Anc

ho s

uper

ficia

l (m

)


El rango de variación de los diferentes parámetros hidráulicos medidos durante el periodo 1984-2004, se presenta en la Tabla 2-4. Para este mismo periodo la variación de la profundidad media y del perímetro mojado en la estación de Incora K-7, para todo el rango de caudales se mantuvo aproximadamente igual que en el periodo 1973-1983. El coeficiente de correlación para todos los parámetros hidráulicos, utilizando una función potencial, fue mayor a 0.83.

Tabla 2-4: Rango de variación de parámetros hidráulicos, de acuerdo con aforos líquidos en la estación Incora K-7. Canal del Dique

Rangos de variación según aforos líquidos en estación incora k-7 Parámetros hidráulicos Valor máximo Valor mínimo

Caudal, Q (m3/s) 1183 39.8 Ancho superficial, T (m) 108.9 75.6 Área, A (m2) 876.7 115.9 Profundidad media, D (m) 8.1 1.5 Velocidad media, V (m/s) 1.53 0.34 Perímetro hidráulico, P (m) 1131 76.1 Radio hidráulico, Rh (m) 7.82 1.52

Dado que las mediciones no permiten calcular varios de los parámetros requeridos para el cálculo de escalas del modelo físico, se recurrió a una caracterización basada en modelos matemáticos de flujo y de transporte sólido, como se describe en el siguiente numeral.





39

2.7. CARACTERIZACIÓN SEDIMENTOLÓGICA

2.7.1. Caracterización a partir de información de campo

El estudio de sedimentos se realizó tomando como base la información de aforos sólidos detallados de la estación de Calamar del periodo 1982 - 2000, levantados por el IDEAM, el LEH-BEX (Buque Explorador), LEH-UN, la Universidad del Norte y Estudios y Asesorías Ltda. – Ministerio del Ambiente.

A partir de esta información se obtuvieron correlaciones entre el caudal líquido aforado y el transporte total en suspensión, y el transporte de arenas en suspensión, tanto en Calamar como en Incora K-7, tal como se pueden observar en la Figura 2-34 a la Figura 2-37. Con base en estas curvas y las curvas de duración de caudal líquido correspondientes, se dedujeron las curvas de duración de caudal sólido total y de arenas en suspensión, para las mismas localidades, como se presenta en la Figura 2-38 a la Figura 2-40.

Figura 2-34: Estación Calamar. Curva de calibración de carga total de sedimentos en suspensión

Carga de sedimentos = 0.6118*Caudal1.4944

R2 = 0.771000

10000

100000

1000000

10000000

1000 10000 100000

Caudal (m3/s)

Car

ga d

e se

dim

ento

s (T

on/d

ía)

IDEAM U Norte MMAVT - EyA LEH





40

Figura 2-35: Estación Calamar. Curva de calibración de arenas en suspensión

Carga de arenas = 5E-05*Caudal2.3832

R2 = 0.811000

10000

100000

1000000

10000000

1000 10000 100000

Caudal (m3/s)

Car

ga d

e se

dim

ento

s (T

on/d

ía)


Figura 2-36: Incora K-7. Curva de calibración de carga total de sedimentos en

suspensión

Carga total de sedimentos en suspensión= 13.125*Caudal líquido1.1865

R2 = 0.8104

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000

Caudal (m3/s)

Car

ga d

e se

dim

ento

s (T

on/d

ía)






41

Figura 2-37: Incora K-7. Curva de calibración de arenas en suspensión

Carga de sedimentos = 1.7386(Caudal líquido)1.3458

R2 = 0.4533

100

1000

10000

100000

10 100 1000 10000

Caudal (m3/s)

Car

ga d

e se

dim

ento

s (T

on/d

ía)

IDEAM U Norte MAVDT - EyA LEH

Figura 2-38: Estación Calamar. Curva de duración de carga sólida medida total y de

arenas

1000

10000

100000

1000000

10000000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% tiempo igualado o excedido

Car

ga d

e Se

dim

ento

s (t

on/d

ía)

Carga Total Carga de Arenas





42

Figura 2-39: Estación Calamar. Curva de duración de material de lecho calculado (suspensión y arrastre)

1000

10000

100000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% tiempo

Car

ga s

edim

ento

s (T

on/d

ía)

Carga estimada suspensión Carga arrastre

Figura 2-40: Incora K-7. Curva de duración de carga sólida medida total y de arenas

100

1000

10000

100000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% tiempo igualado o excedido

Car

ga d

e Se

dim

ento

s (t

on/d

ía)

Carga Total Carga de Arenas

Las cargas sólidas de material medido en suspensión han sido calculadas por integración de las curvas de duración de sedimentos, como se explica en el informe CM-CD-02 “Estudio de sedimentos del Canal del Dique y su efecto en la sedimentación de la bahía de Cartagena” y se resumen en la Tabla 2-5 :





43

Tabla 2-5: Cargas de sedimentos en suspensión y arenas en suspensión en el Canal

Estación % del Q Río Magdalena

Qs total (Ton/año)

Qs arenas (Ton/año)

Qs finos (Ton/año)

% de arenas

RÍO MAGDALENA CALAMAR 100.0% 134,973,306 34,205,683 100,767,623 25% Incora k7 7.5% 8,614,953 3,210,266 5,404,686 37% Gambote 7.2% 8,753,258 2,014,771 6,738,487 23%

Santa Helena 1 5.9% 6,018,394 1,196,850 4,821,544 20% - Caño Correa 1.1% 900,117 136,623 763,494 15% Santa Helena 2 4.8% 4,493,493 1,014,766 3,478,727 23%

- Caño Matunilla 1.7% 1,172,277 427,079 745,198 36% -Caño Lequerica 0.4% 660,316 107,368 552,948 16%

Pasacaballos 2.3% 1,594,394 679,932 914,461 43%

2.7.2. Caracterización mediante modelos matemáticos

Otra forma de obtener una caracterización del comportamiento hidráulico, es mediante el cálculo de los parámetros hidráulicos de los sectores de interés, a través de modelos matemáticos de flujo como el programa Hec-Ras del Cuerpo de Ingenieros de los Estados unidos, y el Método de Einstein, el cual se ha utilizado para determinar los valores de todos los parámetros hidráulicos y sedimentológicos de ambos cauces a fin de calcular las escalas de modelación. El uso de estos modelos se debe a la necesidad de calcular los valores correspondientes de cada uno de los parámetros hidráulicos y sedimentológicos para las condiciones del modelo y del prototipo, a fin de lograr un diseño adecuado y el cálculo de todas las escalas.

La Tabla 2-6 presenta los parámetros hidráulicos calculados con Hec Ras para la condición del año 2002 en el río Magdalena. La Tabla 2-7 muestra los resultados de los parámetros hidráulicos y sedimentológicos promedio para el río Magdalena y el Canal del Dique, obtenidos mediante el Método de Einstein, a partir del programa YQBEDLOAD, disponible en el LEH.

Tabla 2-6: Parámetros hidráulicos calculados con Hec-Ras en el río Magdalena en el sector de estudio, para el cálculo de sedimentos por el Método de Einstein

Cota D A T Pb Pw Pt R Q V

Sección*1 m m m2 m m m m m m3/s m/s 1 6.56 7.09 9470.79 1336.61 1323.50 14.18 1337.68 7.08 8025.10 0.85

2 IZQ 6.4 5.19 1963.58 378.27 368.69 10.38 379.07 5.18 2119.97 1.082 DER 6.4 14.94 5208.69 348.55 323.25 29.88 353.13 14.75 5904.11 1.133 IZQ 6.08 7.12 3652.61 512.74 499.49 14.24 513.73 7.11 3958.89 1.083 DER 6.08 10.03 3323.68 331.46 315.67 20.06 335.73 9.90 4064.05 1.224 IZQ 6.17 8.61 3290.52 382.16 368.09 17.22 385.31 8.54 3958.64 1.204 DER 6.17 10.19 3785.54 371.33 354.80 20.38 375.18 10.09 4063.84 1.07

5 6.16 7.63 6191.46 811.06 798.34 15.26 813.60 7.61 7404.43 1.20*1 La localización de las secciones se muestran en el Plano 2 D: Profundidad media, A: Área, T: Ancho superficial, Pb: Perímetro del lecho, Pw: Perímetro de las bancas, Pt: Perímetro Total, R: Radio hidráulico, Q: Caudal, V: Velocidad media.





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Tabla 2-7: Parámetros Hidráulicos del río Magdalena y el Canal del Dique Rio magdalena calamar Canal del dique k07 Parámetros hidráulicos Máximo Medio Minimo Máximo Medio Minimo

Caudal, Q (m3/s) 11,800 7,135 2,735 1,100 540 100 Ancho superficial, T (m) 1,002 973 916 102.7 96.49 83.24

Área, A (m2) 9,256 6,700 3,413 825.6 562.61 226.7 Profundidad media, D (m) 9.24 6.9 3.75 8.04 5.83 2.72 Velocidad media, V (m/s) 1.28 1.1 0.8 1.35 0.96 0.44 Perímetro mojado, P (m) 1,009 870 917 107.6 100 84.1 Radio hidráulico, Rh (m) 9 7 4 7.7 5.62 2.7

Carga Sólida de material del lecho (Ton/día) 66,547 48,437 15,982 9,850 2,860 22

Carga Medida en Suspensión (Ton/día) 925,949 350,850 21,885 53,800 22,913 1,743

La aproximación de los valores medidos en los aforos con los valores calculados es aceptable, y revela que el uso del modelo YQBEDLOAD es adecuado tanto para las condiciones del prototipo como para las condiciones del modelo.

La Tabla 2-8 muestra los cálculos finales de volúmenes de transporte sólido en el río Magdalena y el Canal del Dique, para las cargas medida y calculada, según la caracterización realizada, la cual se describe en el informe CM-CD-02 del presente Proyecto, “Estudio de sedimentos del Canal del Dique y su efecto en la sedimentación de la bahía de Cartagena

Tabla 2-8: Carga total de sedimentos en el Canal del Dique

Estación Qb (ton/año)

Ql (Ton/año)

Qtotal (Ton/año)

Río Magdalena Calamar 16,292,220 134,973,306 151,265,526 Incora k7 2,443,833 8,614,953 11,058,786 Gambote 1,450,000 8,753,258 10,203,258 Santa Helena 1 1,450,000 6,018,394 7,468,394

- Caño Correa 503,700 900,117 1,403,817 Santa Helena 2 480,000 4,493,493 4,973,493

- Caño Matunilla 535,500 1,172,277 1,707,777 - Caño Lequerica 359,500 660,316 1,019,816

Pasacaballos 420.000 1,594,394 2,014,394





45

3. CARACTERÍSTICAS DEL MODELO

3.1. GENERALIDADES

El modelo físico del Canal del Dique fue construido sobre una instalación especial, ubicada en el patio del Laboratorio de Ensayos Hidráulicos de la Universidad Nacional de Colombia, la cual cuenta con la infraestructura básica requerida para la construcción y operación de modelos a escala de un río cualquiera.

El sector representado en el modelo físico abarcó 8.3 km del río Magdalena (27.7 m en el modelo), entre Barrancanueva (aguas arriba de la isla Becerra) y la entrada al Canal del Dique; el sector del río Magdalena (7.3 m) aguas abajo de la entrada del Canal del Dique, de 2.2 km, incluyendo el sitio de la bocatoma del distrito de riego de San Pedrito. Además, los primeros 9 km (30 m) del Canal del Dique, lo cual incluye el sitio de la estación hidrométrica de Incora K-7. Igualmente se construyeron 18.8 km del Caño Viejo (un cauce antiguo del propio Canal del Dique) comprendidos entre Barrancanueva y Santa Lucía, con el fin de estudiar la propuesta de obras de la Alternativa IV. El área ocupada por el modelo físico es de 1400 m2 aproximadamente, tal como se muestra en el Plano 1.

Para conformar el Canal del Dique, fue necesario darle una cierta curvatura al tramo inicial, inexistente en el prototipo, el cual es totalmente recto, dado que de otra manera no hubiera cabido en el área disponible del laboratorio. Esta curvatura no causa fenómenos hidráulicos de importancia en el modelo, pero debe ser tenida en cuenta en el análisis de los resultados.

3.2. INSTRUMENTACIÓN DEL MODELO

La instrumentación de un modelo hidráulico esta íntimamente relacionada con las variables hidráulicas del prototipo tales como caudal, niveles de agua, velocidades del flujo y su distribución, trayectorias de flujo, pendientes hidráulicas, carga y transporte de sedimentos, formas del lecho o perfiles de fondo, entre otras.

Para la operación y realización de estudios en el modelo hidráulico del sector Barrancanueva – Calamar – Santa Lucía y Barrancanueva – Caño Viejo – Santa Lucía, se contó con estructuras de suministro, medición, conducción y control de los caudales líquidos y sólidos, así como la instrumentación mecánica y electrónica, como se muestra en el Plano 1.

3.2.1. Equipos para suministro y control de caudales líquidos

3.2.1.1. Tanque de almacenamiento y suministro de agua

Es una estructura subterránea construida en mampostería, con capacidad para almacenar 180 metros cúbicos de agua, del cual se toman los volúmenes de líquido necesarios para la operación hidráulica del modelo.





46

3.2.1.2. Bomba de alimentación líquida del modelo

Se cuenta con una bomba HIDROMAC con capacidad para suministrar caudales hasta de 65 l/s al modelo, provista con tubería de succión de 8”, tubería de descarga de 6” y manómetros para el control de las presiones en la succión y la descarga de la bomba.

3.2.1.3. Tuberías de conducción del agua

Se tiene una tubería HG de 6” provista de una válvula de cortina de 6”, que lleva las aguas del tanque de almacenamiento a través de la bomba al tanque de aforo de caudales. Adicionalmente se cuenta con una tubería HG de 6” con una válvula de cortina de 6” que regresa el caudal de excedencia al tanque de almacenamiento y una tubería HG de 6” con una válvula de cortina de 6” que suministra el caudal líquido a las flautas de la tolva de suministro de sedimentos al modelo.

3.2.1.4. Canal de aforo de caudales líquidos de suministro

Se cuenta con un canal diseñado de acuerdo con las especificaciones del Laboratorio de Hidráulica de Delft, Holanda, construido en mampostería y concreto reforzado, provisto con un piezómetro para la determinación de los niveles de agua y un vertedero triangular de pared delgada de 5 mm de espesor, calibrado en el Laboratorio de Hidráulica de la UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, para el aforo de caudales de suministro.

El caudal de entrada al canal de aforo se regula por medio de una válvula de cortina de 6”, instalada en la tubería de conducción de agua hacia el tanque de aforo.

Como tranquilizador del flujo dentro del canal de aforo de caudales, se instaló una estructura disipadora de energía en ladrillo tolete sin pega, de 1.50 m de largo, 1.40 m de ancho y 1.30 m de altura.

3.2.1.5. Canal de conducción del agua de alimentación al modelo

De acuerdo con la orientación seleccionada para la entrada del caudal líquido al modelo, se diseñó y construyó en mampostería un canal de 6.25 m de largo, 0.26 m de ancho y 1.00 m de altura, para la conducción del agua desde la salida del vertedero de pared delgada del canal de aforo de caudales hasta la entrada al tanque de aquietamiento del flujo de alimentación líquida.

3.2.1.6. Tanque disipador de energía del flujo de alimentación al modelo

Es un tanque construido en mampostería de 3.35 m de largo, 2.85 m de ancho y 0.45 m de altura a la entrada del modelo, con una estructura disipadora de energía implementada con ladrillo tolete sin pega, de 3.35 m de largo, 0.25 m de ancho y 0.45 m de altura.





47

3.2.1.7. Canal de Retorno del agua del modelo al tanque de almacenamiento y suministro

Es un canal localizado entre la compuerta de control de la pendiente hidráulica del extremo de aguas abajo del modelo del río Magdalena y el tanque subterráneo de almacenamiento de agua.

En el Plano 1 se presenta la disposición de las estructuras y del modelo hidráulico de fondo móvil en general, construido en el patio de modelación física del Laboratorio de Ensayos Hidráulicos de la universidad nacional (LEH-UN).

3.2.2. Estructuras de suministro y control de caudales sólidos

3.2.2.1. Suministro del material de sedimentos

En el LEH-UN, se diseño, construyó y calibró un Alimentador de Sedimentos Estático tipo tolva, de 3.38 m de largo por 0.68 m de ancho y 0.30 m de altura, provisto con un sistema de irrigación de agua, que permite evacuar el material del alimentador hacia el modelo, a una determinada tasa (l/h) de material de sedimentos. El alimentador se instaló en el extremo de la zona de fondo móvil de aguas arriba del modelo del río Magdalena.

3.2.2.2. Extracción del material de fondo móvil transportado por el modelo hidráulico

El modelo hidráulico cuenta con un sistema para la extracción y recuperación de los sedimentos (exclusor) del canal que representa al río Magdalena, localizado en su extremo de aguas abajo. Se trata de un dispositivo construido de acuerdo con el Manual de Sedimentación del ASCE, conformado por un tubo PVC-S de 1.66 m de largo y 4” de diámetro, abierto longitudinalmente en semicírculo, conectado en su extremo izquierdo a una tubería de 4” de diámetro que conduce por gravedad la mezcla agua-sedimento hasta un sedimentador.

El Laboratorio de Ensayos Hidráulicos realizó varias pruebas para aumentar la eficiencia del exclusor y modificó la estructura colocando tres tuberías adicionales distribuidas a 0.43 m, 0.93 m y 1.40 m a partir del extremo izquierdo del mismo. Cada tubería tiene una válvula mariposa de 4” para regular el paso de la mezcla, y las cuatro tuberías se conectan por medio de un codo, dos tes y una ye a una tubería PVC-S de 4” de 47.10 m de longitud, para conducir finalmente el flujo hasta el tanque sedimentador, donde el material se sedimenta y el agua pasa por gravedad a través una tubería PVC de 4” y finalmente por otro canal en mampostería hasta el tanque de almacenamiento subterráneo.

Para el Canal del Dique, el modelo hidráulico cuenta con un pequeño tanque sedimentador de 1,20 m de largo, 080 m de ancho y 0,45 m de altura localizado aguas abajo de la compuerta de control de este tramo. Para el retorno y medición del caudal líquido del Canal del Dique se cuenta con una tubería PVC-S de 4” de 27.00 m de longitud localizada entre el sedimentador y un tanque donde se realiza el aforo por el método volumétrico.





48

En los tanques de sedimentación se recupera y se mide el volumen de materiales correspondientes al transporte sólido, tanto por el Magdalena como por el Canal. En el Plano 1 se presentan las características y localización de las estructuras descritas.

3.2.3. Instrumentación mecánica

Consta de los siguientes elementos :

3.2.3.1. Control de la pendiente hidráulica

Se instalaron dos compuertas con el fin de controlar la pendiente hidráulica de las diferentes partes del modelo, una en la frontera de aguas abajo del río Magdalena y otra en la frontera aguas abajo del Canal del Dique. Estos dispositivos se pueden regular para inclinaciones entre 0º (horizontal) y 90º (vertical), y están construidas en lámina de aluminio de 5 mm de espesor.

3.2.3.2. Medición de niveles de agua

Con el fin de tener información sobre los niveles de agua y proceder al cálculo de las pendientes hidráulicas en el modelo durante la operación y ejecución de los ensayos, se instalaron 8 limnímetros, 5 de ellos en el río Magdalena y los 3 restantes en el Canal del Dique.

El limnímetro No.2 se ubicó en el modelo justamente en el sitio de la estación hidrométrica de Calamar (río Magdalena), y el limnímetro 7, en el sitio de la estación Incora K-7 (Canal del Dique). En el Plano 1, se presenta la localización de los ocho limnímetros instalados en el modelo hidráulico.

3.3. ESCALAS DE MODELACIÓN

El apropiado diseño de un modelo hidráulico requiere escoger muy cuidadosamente las escalas físicas e hidráulicas del mismo, para lo cual es necesario evaluar detalladamente los procesos a modelar, y las ecuaciones básicas que regulan o describen esos procesos.

Dado que se trata del flujo en canales abiertos, los modelos hidráulicos deben cumplir básicamente las condiciones de similitud cinemática :

TrLrVr = (3.1)

y las condiciones de similitud de Froude :

hrVrFr ==1 (3.2)

En el presente escrito se expresan las variables correspondientes al prototipo con el subíndice p, las del modelo con el subíndice m, y las relaciones de escala entre variables





49

con el subíndice r. Por ejemplo, si se denomina Vp a la velocidad en el prototipo, Vm a la velocidad en el modelo y Vr a la escala de velocidades, se tiene:

VmVpVr = (3.3)

3.3.1. Similitud del transporte de fondo

El arrastre sólido se rige por dos parámetros fundamentales ampliamente conocidos. El primero de ellos se conoce como “Intensidad del Flujo”, ψ∗ :

SeRDSs

')1(* −

=Ψ (3.4)

Donde Ss, es la gravedad específica de los sólidos y R’, es la parte del radio hidráulico del lecho que corresponde al efecto friccional de los granos de sedimento; Se, es la pendiente de la línea de energía del flujo y D es el diámetro del sedimento en consideración.

El segundo corresponde a la “Intensidad del Transporte”, Φ∗, que representa una medida adimensional de la carga sólida del flujo y se expresa según la ecuación:

)1(* 2/32/3 −=Φ

SsDgiqi

sb

BB

γ (3.5)

donde, iBqB, es la tasa de transporte de arrastre de cada fracción de tamaño D, cuya presencia en el lecho se representa por ib (%) de la granulometría y g es la gravedad. La mayoría de los autores están de acuerdo en que para efectos de similitud en el arrastre ambos parámetros deben ser iguales en modelo y prototipo. En términos de escalas:

rr

rrr SeL

DSs )1(1* −==Ψ (3.6)

rrs

rBB

SsDgqi

)1()(1* 2/32/3 −

==Φγ

(3.7)

donde Lr es la escala de longitud y de profundidad del flujo para un modelo sin distorsión geométrica (Lr = hr).

3.3.2. Similitud del transporte en suspensión

El transporte en suspensión usualmente se describe por la ecuación de Rouse-O’ Brien:

z

ada

yyd

CaCy

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−=

)()(

(3.8)





50

Cuyos parámetros son Ca, la concentración de sólidos en suspensión en un punto de referencia cercano al fondo, y=a; y el exponente z:

*kUVsz = (3.9)

donde k es la constante de Von Karman, cuyo valor puede variar, al parecer, para concentraciones sustancialmente altas, pero que en general puede considerarse constante para el tipo de modelos más usual en la práctica, donde se presentan concentraciones moderadas (para lo cual k=0.4), y U∗ es la velocidad de fricción:

gRSeU =* (3.9a)

Para que la suspensión sea similar en modelo y prototipo, se requiere que se cumpla primero la condición de arrastre, ya que Ca se asimila a la concentración en la capa de arrastre (de espesor igual a dos veces el diámetro de las partículas, a =2D). Adicionalmente, el valor de z debe ser igual en modelo y prototipo, pero eso se cumple si se cumple la condición de arrastre, puesto que la definición de Vs para flujo turbulento es :

rVsUZr ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡==

*1 (3.10)

)1( −= SsDCVs (3.11) Donde C es una constante.

3.3.3. Similitud para condiciones de decantación

Para los casos de no-equilibrio (decantación o sedimentación), se ha demostrado que la forma general de la ecuación anterior es :

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

HtVs

UVsf

CaCy .,

* (3.12)

cuyos parámetros son Vs/U* (muy parecido a z), y Vs.t/H.

De las ecuaciones (5) y (9), se puede concluir que un modelo que reproduzca adecuadamente las condiciones de transporte y los fenómenos de depositación y erosión, incluyendo las características de la carga en suspensión, debe mantener similitud en los parámetros Cy/Ca, z, y Vs.t/H, y dado que la concentración de referencia corresponde a la carga de arrastre, la similitud del parámetro Cy/Ca dependerá de que la carga de fondo esté adecuadamente reproducida para las condiciones de aquellos tamaños que conforman la carga en suspensión; es decir, es necesario cumplir primero con la condición de Einstein:

0.1** =Ψ=Φ (3.13)





51

Por su parte, zr debe ser también igual a 1.0, lo que en general siempre se cumple si U∗= 1.0. Finalmente, la condición:

1.=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

rHtVs

(3.14)

Entonces:

1..

=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

rVHLVs

(3.15)

Equivalente a:

Lrhr

VVs

= (3.16)

Por lo que:

LrLsr = (3.17)

donde Lsr , es la longitud de asentamiento de las partículas :

VsdVtVsLs .. == (3.18)

Ésta es, en general, la restricción más fuerte, puesto que implica que la velocidad de asentamiento de las partículas queda definida al seleccionar la distorsión geométrica, ya que para modelos con Fr =1 ; Vr = (hr)1/2, y hr a su vez resulta ser función de Cr y por lo tanto del tipo de material transportado. En la práctica :

1. La condición zr = 1, no es más difícil de cumplir que la condición U∗ = 1. El problema no está en cumplir esa condición, sino es hacerlo para todo el rango de tamaños de partículas del lecho en prototipo y modelo. Usualmente resulta más fácil cumplir la condición de Einstein para los tamaños gruesos de la carga de arrastre que para los finos de la suspensión.

2. La restricción sobre la escala de z, o de Vs/U∗, no es crítica si el valor de la relación en modelo y prototipo es menor de 0.005 según el mismo artículo de Owen2, es decir, cuando la turbulencia es muy alta y las partículas son muy finas (Vs<< U∗). Sin embargo, la correcta modelación a escala de la suspensión llega a ser muy importante cuando parte de la carga puede ser depositada en algún sector del modelo, y en esos casos, casi con seguridad se tendrá 5 ≤ (Vs/U∗) ≤ 0.005, y el valor de este parámetro y su escala serán relevantes.

2 OWEN, M.W. Deposition of Suspended Particles in a Gravel Bed. ASCE, HY3, Mayo 1969.





52

3. El problema de la escala de la longitud de asentamiento es importante. Se debe recordar que el prototipo siempre es un sistema agua-arena, con Ss=2.65, mientras que el modelo rara vez puede serlo, pues las velocidades resultan ser muy bajas para los números de Froude más frecuentes (F ≤ 0.4), con lo cual es difícil lograr algo más que carga de arrastre, aún para las arenas más finas que se pueden obtener. Esto hace que se utilice en los modelos bakelita o poliestireno, con 1.0 ≤ Ss ≤ 1.50; pero aún en estos casos los materiales en el flujo del modelo, resultan relativamente más pesados que la arena en el prototipo.

4. Con un material más pesado, las partículas del modelo se depositan más rápido que sus homólogas del prototipo, (Lsr>Lr), y una vez depositadas, son más reacias a volver a la suspensión que sus homologas. El modelo mostrará tendencia a la excesiva depositación aguas arriba, y no presentará una morfología igual a la del prototipo; los cauces mostrarán una sección transversal más reducida.

5. De acuerdo con la ecuación (3.15) :

Lrhr

LrhrVrVsr

2/3

== (3.19)

Pero considerando que en la práctica no es conveniente utilizar valores de Lr/hr mayores de 4, un límite práctico para Vsr es :Vr/4, ó lo que es igual: 0,25 hr1/2 y, teniendo en cuenta que :

SeRDSs

')1(* −

=Ψ (3.20)

rr DSsVsr )1( −= (3.21)

y que, Dr será mayor que 1.0 para materiales con Ss > 2, alrededor de 1.0 para materiales con 1.25 ≤ Ss ≤2.0, y menor que 1.0 para materiales con Ss<1.25, con lo cual se llega a la Tabla 3-1:

Tabla 3-1: Valores de hr para diferentes niveles de distorsión geométrica para Fr=1

Valores de hr con Lr/hr igual a : Material Ss (Ss-1)r Dr Vsr

4 3 2 Arena 2.65 1.0 3.0 1.7 46 26 12

Bakelita 1.50 3.3 2.0 2.6 108 61 27 Nácar 1 1.21 8.2 1.0 2.9 135 76 34 Nácar 2 1.32 5.16 1.0 2.3 82 46 21 Resina 1.10 16.5 0.5 2.9 135 76 34 Resina 1.05 33.0 0.3 3.1 154 86 38 Resina 1.02 82.5 0.2 4.1 269 151 67





53

Se puede ver que la mayor flexibilidad se obtiene para valores Lr/hr≥3.0, que pueden causar efectos colaterales de escala, particularmente si hay corrientes transversales a la dirección del flujo principal. Debe notarse que al utilizar el número de Froude como escala, los valores de hr aumentan proporcionalmente a (1/Fr)1/2, lo cual da valores más aceptables de la escala vertical para modelos con materiales ligeros, lo cual permite usar modelos con menor distorsión geométrica, que son más favorables.

3.3.4. Escala de tiempo sedimentológico

El tiempo que dura el modelo en reproducir una serie de eventos en el prototipo se rige por el llamado tiempo sedimentológico, que se mide por la condición de que el volumen de sedimentos que pasa por una sección dada del prototipo en un tiempo dado debe ser equivalente al que se demora en pasar por la sección homóloga del modelo; o también que, el tiempo que se demora el prototipo en llenar un volumen dado por decantación sea equivalente al que se demora un volumen similar en ser llenado en el modelo. El tiempo en cualquiera de los dos casos se define por el caudal sólido y el peso específico aparente de los depósitos. La escala de tiempo sedimentológico se determina entonces por :

srQsr

hrLsrTsr γ2

= (3.22)

3.4. ESCALAS DEL MODELO FÍSICO DEL RÍO MAGDALENA

Con base en la experiencia del diseñador en modelos físicos de fondo móvil, concretamente en modelos de otros sectores del mismo río, y teniendo en cuenta el área disponible para la modelación en los patios del LEH-UN, se escogió una escala horizontal de 300:1, con el fin de incluir una longitud importante del prototipo y abarcar completamente la isla Becerra. Se sabe que con el material disponible para simulación de la carga sólida (nácar de densidad 1.32 gr/ml), las escalas verticales estarán dentro del rango 100:1 a 150:1, que se considera adecuado con la distorsión apropiada del número de Froude. Se advierte que en este informe, las escalas se dan como la magnitud en el prototipo dividida por la magnitud homóloga del modelo.

3.4.1. Granulometrías de prototipo y modelo

Para calcular las escalas del modelo, es necesario establecer la granulometría promedio del lecho registrada en la estación Calamar (río Magdalena) y la granulometría del material sólido utilizado en el modelo. Para el prototipo, se calculó el promedio de las diferentes granulometrías medidas en campo (Ver Anexo), la cual se presenta en la Tabla 3-2.

En cuanto al modelo, durante su operación se realizó un seguimiento continuo a la granulometría del material en diferentes sitios de la instalación. La granulometría que se ha tenido en cuenta para los cálculos de las escalas del modelo, corresponde a la del material transportado hasta el tanque sedimentador, la cual no presentó variación significativa en el tiempo.





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Tabla 3-2: Granulometrías promedio de prototipo y modelo Granulometría prototipo Granulometría modelo Denominación Dmin Dmáx % rango Dmin Dmáx % rango

D1 0.063 0.080 1.2% 0.063 0.125 1.4% D2 0.080 0.100 2.9% 0.125 0.250 4.4% D3 0.100 0.125 5.9% 0.250 0.350 5.8% D4 0.125 0.160 12.8% 0.350 0.500 10.3% D5 0.160 0.179 9.0% 0.500 0.630 11.1% D6 0.179 0.200 10.2% 0.630 0.800 12.2% D7 0.200 0.220 10.6% 0.800 1.000 13.6% D8 0.220 0.250 12.4% 1.000 1.250 16.0% D9 0.250 0.300 15.0% 1.250 1.600 13.3% D10 0.300 0.400 17.0% 1.600 2.000 8.4% D11 0.400 0.500 3.0% 2.000 2.500 3.5%

Tabla 3-3: Granulometrías promedio de prototipo y modelo por diámetros representativos (en mm).

Prototipo Modelo D10 0.125 0.326 D25 0.165 0.535 D35 0.186 0.657 D50 0.215 0.870 D65 0.250 1.097 D75 0.284 1.255 D90 0.347 1.691

Figura 3-1: Granulometrías promedio del lecho en el prototipo y en el Canal del Dique

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0.0100.1001.00010.000DIÁMETRO (mm)

% M

ÁS

FIN

O Q

UE

PROMEDIO MODELO

PROTOTIPO PROMEDIO





55

La escala de diámetros de los materiales no puede obtenerse directamente por división de los diámetros homólogos de prototipo y modelo, dado que cada granulometría produce un patrón de transporte diferente en su correspondiente canal, y la granulometría que prima en el cálculo de las escalas, particularmente cuando el modelo es distorsionado, es la granulometría de la carga sólida y no la granulometría del lecho, la cual, sin embargo, es importante en la determinación de la fricción.

Para determinar la granulometría de la carga sólida es necesario medirla o, en su defecto, calcularla. En el presente caso se ha optado por calcularla mediante el método de Einstein, dado que no existen mediciones de la granulometría de la carga sólida del prototipo (río Magdalena). La granulometría de la carga en el modelo es muy similar a la granulometría del material del fondo, dado que la mayor parte del material que se agrega sale de nuevo al final del modelo; sin embargo, la abundancia relativa de diámetros gruesos hace que haya diferencias; razón por la cual es de interés conocer los diámetros más representativos de la suspensión y los más representativos de la carga de arrastre.

La Tabla 3-4 muestra cómo aproximadamente el 80% de la carga en suspensión en modelo está compuesta de diámetros entre 0.0625 mm y 0.500 mm (diámetro promedio 0.177 mm), y en el prototipo de diámetros entre 0.0625 mm y 0.125 mm (diámetro promedio 0.088 mm); en tanto que aproximadamente el 90% de la carga de arrastre en el prototipo está compuesta por diámetros entre 0.200 mm y 0.500 mm (diámetro medio 0.316 mm), y entre 0.250 mm y 1.0 mm en el modelo (diámetro promedio 0.500 mm); esto sugiere que la escala real de diámetros de transporte es más del orden de 0.6, que del orden de 0.25 que es la escala de diámetros del material del lecho de los canales. Por esta razón, la escala de diámetros adoptada es de 0.6.





56

Tabla 3-4: Granulometría de la Carga Sólida en Modelo y Prototipo según cálculo

SUSP LECHO SUSP LECHO SUSP LECHO SUSP LECHOTon/día Ton/día % % Kg/hora Kg/hora % %

0.089 36,973.19 12.09 60.72% 0.17% 0.089 10.64 0.09 43.64% 0.35%0.141 7,306.81 119.85 12.00% 1.64% 0.177 3.85 1.16 15.79% 4.28%0.169 2,592.02 179.81 4.26% 2.46% 0.296 2.57 3.54 10.53% 13.05%0.189 2,186.25 309.28 3.59% 4.24% 0.418 3.15 7.33 12.93% 26.98%0.21 1,938.53 458.34 3.18% 6.28% 0.561 2.23 6.88 9.12% 25.32%

0.235 2,874.83 1,036.60 4.72% 14.20% 0.71 1.2 4.57 4.92% 16.81%0.274 3,180.76 1,752.49 5.22% 24.01% 0.894 0.53 2.37 2.16% 8.73%0.346 3,322.94 2,822.96 5.46% 38.68% 1.118 0.19 1 0.78% 3.69%0.447 517.35 606.31 0.85% 8.31% 1.414 0.03 0.2 0.13% 0.72%

1.789 0 0.02 0.00% 0.07%2.236 0 0 0.00% 0.00%

TOTALES 60,892.68 7,297.73 100% 100% 24.39 27.16 100% 100%73% 91% 83% 91%


0.089 84,931.39 20.49 71.41% 0.32% 0.089 9.45 0.05 39.36% 0.19%0.141 14,336.53 201.84 12.05% 3.18% 0.177 2.9 0.71 12.10% 2.59%0.169 4,731.58 283.48 3.98% 4.47% 0.296 3.52 4.34 14.65% 15.77%0.189 3,597.10 452.42 3.02% 7.13% 0.418 3.45 6.49 14.36% 23.61%0.21 2,855.21 611.17 2.40% 9.63% 0.561 2.17 6.01 9.05% 21.85%

0.235 2,739.99 905.78 2.30% 14.27% 0.71 1.32 4.59 5.52% 16.69%0.274 2,782.60 1,418.78 2.34% 22.35% 0.894 0.72 3 3.01% 10.91%0.346 2,580.65 2,042.06 2.17% 32.17% 1.118 0.36 1.71 1.50% 6.21%0.447 375.77 411.59 0.32% 6.48% 1.414 0.09 0.51 0.39% 1.86%

1.789 0.01 0.08 0.05% 0.31%2.236 0 0.01 0.00% 0.03%

TOTALES 118,930.82 6,347.61 100% 100% 24 27.49 100% 100%83% 85% 80% 89%


0.089 105,033.83 28.91 71.05% 0.36% 0.089 8.55 0.06 50.03% 0.40%0.141 19,438.69 299.28 13.15% 3.74% 0.177 2.56 0.74 14.98% 4.72%0.169 5,472.37 365.04 3.70% 4.56% 0.296 1.57 2.1 9.18% 13.43%0.189 4,242.84 579.79 2.87% 7.24% 0.418 1.94 4.06 11.36% 25.93%0.21 3,401.54 776.06 2.30% 9.70% 0.561 1.31 3.97 7.65% 25.31%

0.235 3,297.09 1,143.49 2.23% 14.29% 0.71 0.71 2.64 4.18% 16.83%0.274 3,364.16 1,775.18 2.28% 22.18% 0.894 0.31 1.37 1.80% 8.73%0.346 3,121.02 2,529.17 2.11% 31.60% 1.118 0.12 0.59 0.69% 3.76%0.447 455.04 507.56 0.31% 6.34% 1.414 0.02 0.13 0.12% 0.81%

1.789 0 0.01 0.01% 0.09%2.236 0 0 0.00% 0.00%

TOTALES 147,826.58 8,004.48 100% 100% 17.09 15.67 100% 100%84% 84% 86% 90%

Dm Dm

Dm Dm

SECCIÓN 3Qs PROTOTIPO Qs PROTOTIPO Qs MODELO Qs MODELO



Dm Dm





57

Tabla 3-4: Granulometría de la Carga Sólida en Modelo y Prototipo según cálculo (Continuación)


0.089 93,927.49 24.92 72.65% 0.36% 0.089 8.91 0.06 46.45% 0.31%0.141 14,939.30 228.86 11.56% 3.28% 0.177 2.69 0.72 14.00% 3.81%0.169 4,781.64 318.6 3.70% 4.56% 0.296 1.93 2.5 10.06% 13.31%0.189 3,690.08 505.72 2.85% 7.24% 0.418 2.65 5.06 13.83% 26.90%0.21 2,965.50 678.64 2.29% 9.71% 0.561 1.56 4.66 8.16% 24.76%

0.235 2,880.03 1,000.92 2.23% 14.33% 0.71 0.86 3.16 4.48% 16.80%0.274 2,949.66 1,556.83 2.28% 22.29% 0.894 0.4 1.71 2.06% 9.11%0.346 2,749.57 2,224.34 2.13% 31.84% 1.118 0.15 0.76 0.80% 4.06%0.447 401.93 447.06 0.31% 6.40% 1.414 0.03 0.16 0.15% 0.86%

1.789 0 0.02 0.00% 0.09%2.236 0 0 0.00% 0.00%

TOTALES 129,285.20 6,985.89 100% 100% 19.18 18.82 100% 100%84% 85% 84% 91%


0.089 115,471.40 36.42 72.43% 0.42% 0.089 14.01 0.06 33.59% 0.30%0.141 19,616.45 336.4 12.30% 3.88% 0.177 14.56 0.74 34.90% 3.75%0.169 5,652.39 410.3 3.55% 4.73% 0.296 5.41 2.72 12.97% 13.83%0.189 4,439.02 648.57 2.78% 7.48% 0.418 3.79 5.19 9.09% 26.36%0.21 3,556.88 855.25 2.23% 9.87% 0.561 2.11 4.81 5.06% 24.44%

0.235 3,458.56 1,249.49 2.17% 14.41% 0.71 1.09 3.3 2.62% 16.77%0.274 3,517.77 1,913.72 2.21% 22.08% 0.894 0.49 1.82 1.17% 9.26%0.346 3,238.25 2,683.25 2.03% 30.96% 1.118 0.21 0.83 0.50% 4.24%0.447 470.92 534.66 0.30% 6.17% 1.414 0.04 0.19 0.09% 0.95%

1.789 0 0.02 0.01% 0.11%2.236 0 0 0.00% 0.00%

TOTALES 159,421.64 8,668.06 100% 100% 41.71 19.68 100% 100%85% 83% 91% 91%

Dm Dm

Dm Dm



3.4.2. Densidades de los materiales sólidos usados en el modelo

El peso específico de los materiales usados en el modelo ha sido determinado en el laboratorio como de 1.32 gr/ml o 1.32 Ton/m3. La escala directa de densidad de los sólidos es entonces de 2.65/1.32 o sea de 2 aproximadamente; la escala de gravedad específica sumergida, (Ss-1) es de 5.16; sin embargo ninguna de estas escalas sirve para calcular la escala de volúmenes depositados en algún sitio del modelo, por lo cual se calcularon los pesos específicos del material húmedo y saturado. Debe anotarse que por conveniencia el material se añade al modelo en estado húmedo (no completamente saturado), pero se mide totalmente saturado en los tanques de medición. Para calcular estos pesos específicos, se realizó un total de 100 ensayos, con los cuales se ha calculado la densidad del material seco y su relación con el volumen de material húmedo y material saturado, a saber :

• Densidad aparente material seco = 0.686 gr/ml

• Densidad aparente material húmedo = 0.55 gr/ml

• Densidad aparente material saturado = 0.63 gr/ml





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Con estos valores se pueden calcular los caudales sólidos de abastecimiento y los caudales sólidos medidos al final de los tanques así:

• Caudal sólido material húmedo (l/h) * 0.54792 = Caudal sólido en peso de material seco (Kg/hr)

• Caudal sólido material saturado (l/h) * 0.62792 = Caudal sólido en peso de material seco (Kg/hr)

La Tabla 3-5 contiene los datos de los valores promedios diarios en l/hr de material húmedo que se agrega al sistema y de acuerdo con los factores de conversión, el mismo caudal pero de material seco para los ensayos de calibración en Kg/hr.

Tabla 3-5: Relación de caudales sólidos de alimentación por ensayo de calibración

Fecha de medición del estado final del ensayo

Tasa de suministro (material húmedo)

Tasa de suministro (material

seco)(l/h) * (Kg/h) **

2 05-oct-05 100 54.83 14-oct-05 120 65.84 21-oct-05 120 65.85 21-dic-05 60 32.96 02-ene-06 60 32.99 08-feb-06 30 16.4

10 02-mar-06 30 16.412 15-mar-06 60 32.913 17-abr-06 60 32.914 24-abr-06 60 32.915 01-jun-06 60 32.916 22-jun-06 60 32.9

ENSAYO No.

* Material adicionado en condición húmeda ** Carga reducida a peso seco por unidad de tiempo

3.5. ENSAYOS Y MEDICIONES DE CALIBRACIÓN DEL MODELO

Para cada ensayo se realizaron las siguientes mediciones:

• Caudal entrante (l/s) determinado con el vertedero triangular, tres veces en el día.

• Caudal derivado por el Canal del Dique (l/s), determinado con el tanque volumétrico, tres veces al día.

• Caudal sólido derivado por el Río Magdalena (l/h), tres veces al día.

• Caudal sólido derivado por el Canal del Dique (l/h), tres veces al día

• Niveles de agua en ocho sitios mediante limnímetros (cm), cada hora.





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• Verificación de la abertura de las válvulas, tres veces al día y de la inclinación de las compuertas (º).

Para la calibración del modelo físico se realizaron 16 ensayos según se indica en la Tabla 3-6:

Tabla 3-6: Tiempo de operación, caudal líquido y caudal sólido de alimentación en los ensayos de calibración

Caudal líquido, Ql Río Magdalena

(l/s)1 03-oct-05 57.5 50.6 100 54.82 05-oct-05 89.5 50.6 100 54.83 14-oct-05 73 50.6 120 65.84 21-oct-05 141.5 50.6 120 65.85 21-dic-05 90 50.6 60 32.96 02-ene-06 81 50.6 60 32.97 27-ene-06 17 35 60 32.98 03-feb-06 47.5 30 30 16.49 08-feb-06 91 35 30 16.4

10 02-mar-06 80.3 30 30 16.411 07-mar-06 54.7 35 30 16.412 15-mar-06 85 35 60 32.913 17-abr-06 83.5 40 60 32.914 24-abr-06 90 40 60 32.915 01-jun-06 108 35 60 32.916 22-jun-06 183 35 60 32.9

* Medido como material húmedo** Medido como material seco

Caudal sólido de alimentación; Qs

(l/h) *

Caudal sólido de Alimentación; Qs

(Kg/h)**ENSAYO

No. Fecha

Tiempo de Operación

(horas)

Al terminar cada ensayo se realizaron las mediciones que a continuación se indican, en cada una de las 10 secciones transversales de control del modelo:

• Medición de profundidades (en cm) y de las distancias horizontales correspondientes a partir de la orilla izquierda.

• Medición de velocidades (en cm/s).

Para determinar la pendiente hidráulica entre limnímetros, se tienen las siguientes distancias:

Tabla 3-7: Distancia entre limnímetros del modelo físico Limnímetros Distancia entre limnímetros (cm)

L1-L2 2452.53 L1-L4 3100.30 L2-L3 225.00 L3-L7 2191.67 L5-L6 1423.40 L7-L8 972.60





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3.6. PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE LAS MEDICIONES

Con las lecturas de limnímetro registradas cada hora, se calcularon las cotas del nivel de agua y de acuerdo con las distancias entre limnímetros, se obtuvo la respectiva pendiente de la superficie de agua. La variación a nivel diario de la superficie del agua, de acuerdo con las lecturas de los limnímetros 1 y 4, así como la pendiente entre las mismas, se presentan en el Anexo.

3.7. CONDICIONES DE FRONTERA Y SECCIONES DE CALIBRACIÓN

Las orillas del modelo se construyeron con base en el levantamiento batimétrico y de orillas realizado por la Universidad del Norte en Noviembre del año 2002. La isla Becerra se construyó con límites fijos, debido a su permanencia desde el año 1947 hasta la fecha, de acuerdo con el análisis de dinámica fluvial presentado en el numeral 2.2.

Inicialmente, se consideró que el modelo debía conformar por sí mismo la isla La Loca (frente a Calamar), pero debido a que el modelo no permite la modificación autónoma de sus orillas, esto no sucedió en los tres primeros ensayos de calibración y, por ende, fue necesario conformarla con el mismo material del fondo móvil. La isla La Loca permaneció en los siguientes 11 ensayos de calibración. Las secciones de control se ubicaron como se muestra en la Figura 3-2, así :

• Sección 1: Río Magdalena aguas arriba de la isla Becerra.

• Sección 2: Río Magdalena frente a la isla Becerra (presenta dos brazos).

• Sección 3: Río Magdalena frente a la isla La Loca, aguas arriba de la Estación de Calamar (presenta dos brazos).

• Sección 4: Río Magdalena frente a la isla La Loca. Corresponde en el prototipo a la Estación de Calamar (presenta dos brazos).

• Sección 5: Río Magdalena frente a la bocatoma de San Pedrito.

• Secciones 1 y 2: Canal del Dique

Con el fin de verificar la correcta reproducción de la morfología general de las secciones en el modelo con respecto a las del prototipo, se levantaron las secciones al terminar cada ensayo, como se puede ver en el Anexo. Del análisis de estas secciones transversales se seleccionó en cada caso la escala vertical del modelo.





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Figura 3-2: Localización de las secciones de control para la calibración

3.7.1. Selección de las escalas del modelo

Se escogió 300:1 como la escala horizontal del modelo hidráulico con base en el área disponible para su construcción, y en experiencias con modelos anteriores del río Magdalena construidos en el propio LEH-UN con resultados excelentes. La selección del caudal líquido y del caudal sólido de abastecimiento del modelo se realizó por ensayo y error, a fin de encontrar la relación óptima entre uno y otro, que produjese la mejor representación hidráulica y morfológica en el modelo. Con este fin se realizaron 16 ensayos con diferentes caudales, desde 50 l/s hasta 30 l/s, y con suministro de material sólido en estado húmedo desde 30 l/h hasta 120 l/h, midiendo en cada caso la hidráulica resultante y la morfología de las secciones transversales para la condición de caudal dominante sedimentológico3. El análisis final se hizo únicamente con aquellos ensayos con una duración superior o igual a 75 horas, tiempo en el cual se observaba un equilibrio en los procesos morfodinámicos del río en todo el sector modelado; Ver Tabla 3-8)

La mayoría de estos ensayos dieron buenos resultados, pero en cada caso se obtuvieron diferentes valores de las escalas vertical, del número de Froude, y de otros parámetros. La selección se hizo en función de estas escalas y de la facilidad de operación, dejando un margen suficiente para poder ensayar caudales mayores y menores. La Tabla 3-9 muestra los resultados de los ensayos.

3 “Se define caudal dominante como aquel que fluyendo como caudal constante todo el año transportaría el mismo volumen sólido de fondo total”, [MARTÍN V, Juan P. 1997]





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Tabla 3-8: Relación de ensayos para análisis de calibración

Ensayo No. Fecha 2 05/Oct/2005 3 14/Oct/2005 4 21/Oct/2005 5 21/Dic/2005 6 02/Ene/2006 9 08/Feb/2006

10 02/Mar/2006 12 15/Mar/2006 13 15/Abr/2006 14 15/Abr/2006 15 01/Jun/2006 16 22/Jun/2006

Tabla 3-9: Escalas principales de modelación para los diferentes ensayos de calibración, con Dr=0.6

Ql Qs Ql/Qs Yrlps Kg/hr x10-4

2 50.6 55 2.29 0.55 5.19 136.08 5.95 1.54 0.43 1.03 149 0.23 17.14 0.553 50.6 66 2.74 0.57 8.18 167.83 6.43 1.55 0.43 1.03 162 0.24 17.84 0.554 50.6 66 2.74 0.48 6.06 152.59 5.69 1.61 0.38 1.06 153 0.25 12.32 0.565 50.6 33 1.37 0.49 7.10 152.45 5.82 1.58 0.39 1.05 155 0.25 13.87 0.566 50.6 33 1.37 0.47 5.30 114.40 4.93 1.66 0.38 1.07 121 0.95 10.78 0.579 35 16.5 0.99 0.36 5.43 167.36 4.64 1.86 0.32 0.97 168 1.22 7.64 0.58

10 30 16.5 1.16 0.49 5.51 161.40 6.12 1.45 0.46 0.99 213 2.62 20.25 0.5312 35 33 1.98 0.42 7.75 158.62 5.15 1.65 0.38 1.04 172 1.54 11.74 0.5613 40 33 1.74 0.46 6.60 174.45 5.44 1.60 0.41 1.03 224 1.17 14.24 0.5514 40 33 1.74 0.42 5.76 180.67 5.19 1.64 0.38 1.04 203 0.81 12.02 0.5615 35 33 1.98 0.39 6.22 187.86 5.05 1.69 0.37 1.05 199 0.98 10.36 0.5616 35 33 1.98 0.46 4.13 163.11 5.45 1.58 0.42 1.03 189 1.13 14.23 0.55

No. Fr hr Vr Ψrlecho Φrlecho ZrlechoΨrsusp Φsusp Zrsusp Lsrsusp

* Qs en peso seco por unidad de tiempo reducido a volúmen con γs = 1.32 gr/ml.

Las escalas Ψr, Φr, Dr y Zr que se muestran en la Tabla 3-10 se han determinado como un promedio para los diámetros de partículas que más se transportan en suspensión (Ψrsusp, Φrsusp, y Zrsusp) y que más transportan en arrastre de lecho (Ψrlecho, Φrlecho, y Zrlecho).

En el caso del prototipo, el LEH-UN ha determinado que la carga sólida de material del lecho es en promedio de 130,172 Ton/día para un caudal de 8025 m3/s, y se sabe que el peso específico aparente de los depósitos (de arenas de cuarzo) es de 1.5 Ton/m3. En el caso del modelo, el caudal sólido es el caudal de abastecimiento de cada ensayo, y el peso específico aparente será el del material saturado, el cual se ha medido en 0.63 Ton/m3.

Como se puede ver, la mayoría de los ensayos ha producido resultados coherentes, y escalas principales muy similares entre sí. La escala más baja del número de Froude se obtuvo en el experimento 9, para 35 l/s y 16.5 Kg/hr de abastecimiento sólido; sin





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embargo, los demás valores están alrededor de 0.5 que se considera suficiente para la adecuada representación del prototipo. Las escalas verticales que producen menor distorsión geométrica son las de los experimentos con menor caudal líquido, y se sitúan entre 150 y 190 que son valores aceptables desde el punto de vista de facilidad de medición; las escalas de los parámetros de Einstein son aceptables para el rango de tamaños más finos (que representan la mayor parte de la carga sólida en modelo y prototipo). En los rangos de material más grueso, el modelo presenta valores que sugieren una mayor disposición para transportar materiales en arrastre, como es lógico esperar y se considera que no introducirá problemas en la modelación; los valores de Z de la ecuación de Rouse-O´Brien son cercanos a 1.0 para la suspensión, lo cual implica que los sedimentos en el modelo tienden a estar distribuidos en la vertical en forma similar a los del prototipo, lo cual es bastante adecuado. En el caso de la carga de arrastre, la modelación no es tan perfecta, pero en realidad no es tan importante que lo sea, particularmente si, como sucede en el modelo del Río Magdalena, existe mayor transporte de fondo que en el prototipo.

La escala de longitud de sedimentación es aproximadamente igual que la escala de longitud del modelo (300) en todos los casos, sugiriendo que la distorsión del número de Froude es bastante adecuada.

Las escalas del modelo se han definido de acuerdo con la morfología de las secciones transversales, y el comportamiento general del modelo en la simulación de los efectos principales como son la distribución de caudal entre el Río Magdalena y el Canal del Dique, la distribución de caudal en las islas y la forma de las secciones aguas arriba y aguas abajo del modelo.

Finalmente, la calibración se ha juzgado por la bondad de las escalas principales de los sedimentos, tanto de aquellos que se mueven principalmente en suspensión como de aquellos que se mueven principalmente por arrastre, lo cual se ha determinado a partir del Método de Einstein (programa YQBEDLOAD). Por estas razones se han escogido los ensayos de calibración con caudal líquido de 35 l/s y abastecimiento sólido de 33 Kg/h. para seleccionar las escalas definitivas, calculadas como el promedio de los resultados obtenidos para los tres ensayos correspondientes, los cuales se presentan en la Tabla 3-11.

En la Tabla 3-10 se indican las escalas de tiempo sedimentológico que, como se ve, son relativamente bajas, con lo cual los tiempos de operación se prolongan para los modelos con menores caudales líquidos y sólidos. Como consecuencia de este análisis se concluyó que el modelo con 35 l/s y 33 Kg/hr de caudal sólido es aceptable y preferible a los modelos con mayor caudal líquido. Los cálculos de tiempo sedimentológico, Ts, presentados en la tabla, muestran la equivalencia entre un día de tiempo en el modelo y los correspondientes en el prototipo. Dado que el modelo funcionó continuamente durante las 24 horas del día, se consideró conveniente realizar ensayos de 120 horas para las alternativas de obras, con lo cual se cubren 3 años de tiempo en el prototipo; tiempo suficiente para alcanzar estabilidad en el modelo, bajo condiciones de caudal constante.





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Tabla 3-10: Escalas de tiempo sedimentológico en los ensayos de calibración

Escala vertical, hr

Caudal líquido del modelo, Qlm

Caudal de abastecimiento

sólido del modelo, Qsm

Caudal de abastecimient

o sólido del modelo, Qsm

Escala de caudal sólido,

Qsr

Escala de tiempo sedimentológico,

Tsr

Escala de tiempo sedimentológico,

Tsr

l/s Kg/h T/dia días años2 136.08 50.6 55 1.32 99039 294 0.81 4.033 167.83 50.6 66 1.584 82533 436 1.19 5.974 152.59 50.6 66 1.584 82533 396 1.09 5.435 152.45 50.6 33 0.792 165066 198 0.54 2.716 114.40 50.6 33 0.792 165066 149 0.41 2.039 167.36 35 16.5 0.396 330131 109 0.30 1.4910 161.40 30 16.5 0.396 330131 105 0.29 1.4412 158.62 35 33 0.792 165066 206 0.56 2.8213 174.45 40 33 0.792 165066 226 0.62 3.1014 180.67 40 33 0.792 165066 235 0.64 3.2115 187.86 35 33 0.792 165066 244 0.67 3.3416 163.11 35 33 0.792 165066 212 0.58 2.90

PROMEDIO 221 0.60 3.02

Años prototipo para 120 horas de

modeloNo.

Tabla 3-11: Escalas del modelo físico Escala horizontal 300 Escala Vertical 170 Caudal líquido modelo 35 l/s Caudal sólido modelo 33 Kg/hrEscala de Caudal 229286 Escala del Número de Fraude 0.42 Escala de Intensidad de Flujo material del lecho en suspensión 1.64 Escala de Intensidad de Transporte material del lecho en suspensión 0.39 Escala de Z de la ecuación de Rouse-O'Brien material del lecho en suspensión 1.04

Escala de Longitud de asentamiento del material en suspensión 320 Escala de Intensidad de Flujo material de arrastre del lecho 1.22 Escala de Intensidad de Transporte material de arrastre del lecho 12.11 Escala de Z de la ecuación de Rouse-O'Brien material de arrastre del lecho 0.56

3.7.2. Condiciones generales de calibración

Teniendo en cuenta los resultados de los ensayos de calibración realizados, se considera que el modelo físico del Río Magdalena y del Canal del Dique es adecuado para los objetivos propuestos, esto es, para el estudio de las condiciones morfológicas y sedimentológicas de las alternativas propuestas para el control de los sedimentos que ingresan al Canal del Dique. Específicamente, se considera que el modelo es apropiado, por las siguientes razones:

1. El modelo representa adecuadamente y con escalas definidas, las condiciones hidráulicas y la morfología general del cauce en el sector entre Barrancanueva y San Pedrito en el Río Magdalena, donde se encuentra la desviación del Canal del Dique,





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(ver el Anexo); reproduce además la carga sólida del río en sus componentes de suspensión y arrastre de material del lecho, y reproduce en forma cuantitativamente correcta la desviación de agua y sedimentos hacia el Canal.

2. El modelo contiene toda el área susceptible de afectación directa por la construcción de las obras correspondientes a las alternativas de control propuestas para manejar los sedimentos a la entrada y para manejar la navegación, y permite determinar cuantitativamente los efectos de estas obras en el cauce del río y en los primeros 9 Km del canal.

3. El modelo permite estudiar cualitativa y cuantitativamente la eficiencia de las alternativas para resolver los problemas de sedimentación del canal, y por lo tanto ofrece una base cierta para su comparación en los aspectos principales de funcionamiento.

3.7.3. Limitaciones de la simulación

Como es claro y conocido, ningún modelo físico en hidráulica es perfecto, o puede reproducir en forma totalmente exacta todas las condiciones hidráulicas de un problema específico. Sin embargo, Los modelos se diseñan con el fin de optimizar la simulación de los efectos principales y pueden dar información cualitativa sobre los fenómenos donde la simulación es menos precisa. A continuación se describen algunos de los aspectos en los cuales el modelo puede dar resultados cualitativos pero donde se pueden presentar problemas para la cuantificación completa de los fenómenos hidráulicos y morfológicos.

3.7.3.1. Morfología general del cauce

El modelo presenta dificultades en el control de las condiciones de frontera a la entrada aguas arriba de la isla Becerra, justo donde el flujo se distribuye y reparte sus sedimentos por cada brazo. Esta situación ha sido difícil de modelar, debido a limitaciones de espacio y operación, condición que ha impedido que el propio modelo distribuya los caudales de acuerdo con el prototipo, obligando a una continua intervención del operador para lograrlo.

En otras palabras, el modelo puede producir una repartición de los flujos de agua y sedimentos en forma diferente a como lo hace el río en la realidad; por esta razón, es necesario que los operadores observen permanentemente las tendencias de cambio en estos flujos e introduzcan correcciones ocasionales para cumplir con el hecho observado en el terreno de que el brazo derecho del río es el principal, y ha de conducir la mayor proporción del caudal (70% aproximadamente).

Este consideración es importante porque es posible que algunas de las alternativas puedan afectar la repartición y modificar la morfología general del cauce, y es necesario discernir si los cambios observados en el modelo son causados por las obras o por su operación. Para controlar la mencionada repartición se han colocado diques aguas arriba del modelo para direccionar el flujo y se ha alimentado la tolva de abastecimiento de sedimentos de manera no-uniforme a lo ancho de la sección. También es posible implementar dragados en los brazos, pero es menos recomendable, y sólo se ha hecho en condiciones extraordinarias. En general, se observa que la presencia de la isla La Loca





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frente a la entrada del canal del Dique, ha generado la tendencia del brazo derecho a llevar menos agua y sedimentos, y a profundizar y a hacer más eficiente el brazo izquierdo. También se nota que este comportamiento ha sido particularmente cierto aguas abajo de la isla Becerra donde se forma un canal entre las dos islas que tiende a enviar la mayor cantidad de agua hacia el brazo izquierdo.

3.7.3.2. Factores de escala

Los factores de escala son todas aquellas diferencias de comportamiento que se deben a las distorsiones introducidas para mejorar el funcionamiento general del modelo. Entre ellas se destacan las siguientes :

• Distorsión geométrica : La distorsión de las escalas horizontal (300) y vertical (170), es necesaria para corregir problemas que tienen que ver con el tratamiento de la resistencia friccional del cauce, la formación de dunas y barras en el fondo y otros efectos; también permite la utilización de caudales líquidos más razonables para una instalación normal de laboratorio y ayuda a mejorar la modelación del transporte sólido; sin embargo tiende a introducir distorsión en las trayectorias de flujo haciéndolas más cerradas, y a cambiar los patrones de flujo en curvas y en zonas de desvío de agua y sedimentos, como es el caso de la entrada al Canal del Dique. En el presente caso, la distorsión geométrica es baja (relación Lr/hr=1.88), y la mayor parte de los efectos negativos producidos por esta distorsión se compensan con los producidos por la distorsión del número de Froude, que tiende a alargar las trayectorias de flujo.

• Distorsión del tamaño y densidad de los granos de sedimento : Esta distorsión se debe al uso de un material más ligero que la arena; pero en general es bastante favorable; la combinación entre la distorsión de densidad y la distorsión geométrica de las escalas de longitud, permite el uso de materiales más gruesos que la arena del prototipo y facilita la obtención de escalas de transporte sólido adecuadas. Lamentablemente no es posible usar materiales más ligeros, lo que sería preferible desde el punto de vista hidráulico y de transporte de sedimentos. Los materiales de densidad menor a 1.32 son difíciles de conseguir en la práctica y además tienen la tendencia a flotar y presentar efectos de tensión superficial indeseables.

• Distorsión del número de Froude : Esta distorsión es necesaria para optimizar las escalas del transporte sólido, de densidad y de tamaño de sus materiales en modelos distorsionados geométricamente. Ha sido exitosamente usada en otros modelos en Colombia y en general es muy conveniente en modelos donde su valor es muy bajo, (0<F<0.30), como en el sector de estudio del actual modelo. De todas maneras esta distorsión mantiene el flujo dentro del rango del flujo subcrítico, induciendo únicamente un aumento en las velocidades y las pendientes de la superficie de agua en el modelo, respecto de los valores de la modelación de Froude, usual en modelos de flujo a superficie libre. Esto quiere decir que los flujos en el presente modelo son relativamente más rápidos que en el prototipo.

• Distorsión de las escalas de socavación local : Este tipo de distorsión, que consiste en que los procesos de socavación local se ven exagerados en el modelo y por tanto las profundidades deben ser corregidas en las vecindades de estructuras





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hidráulicas, ocurre en todo modelo con distorsión geométrica y distorsión de la densidad de los materiales sedimentarios. Normalmente en este aspecto, los fenómenos solo se pueden interpretar a nivel cualitativo, hasta tanto no se realicen experimentos especiales para determinar las escalas en forma más precisa. Experimentos de esta naturaleza se prevé realizar en el LEH-UN en el futuro próximo.

En general, los efectos de escala en el presente modelo se consideran de menor importancia con relación a los fenómenos que se contempla estudiar, y dado que la calibración ha permitido confirmar las tasas de derivación de sedimentos hacia el Canal (por ejemplo), se considera que no representan problemas mayores en la interpretación de los resultados.





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4. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN A LA PROBLEMÁTICA DEL CANAL DEL DIQUE

4.1. ASPECTOS GENERALES DEL PROBLEMA SEDIMENTOLÓGICO

Los pormenores del problema sedimentológico del Canal del Dique se han tratado extensamente en el Informe CM - CD - 2 del presente Proyecto : “Estudio de sedimentos en el Canal del Dique y su efecto en la Bahía de Cartagena”. de ese informe, sin embargo, conviene resumir brevemente las características del problema para poder discernir el tipo de investigación a realizar sobre el modelo físico.

Los problemas de sedimentación en el Canal del Dique provienen de su comportamiento como derivación del Río Magdalena; a pesar de que esa derivación es apenas del orden del 10% en caudal, es bien sabido que cuando quiera que el flujo debe cambiar de dirección, son las capas inferiores del mismo, de menor velocidad y mayor concentración de sedimentos, las que fluyen hacia la derivación. La consecuencia es que la captación de sedimentos excede proporcionalmente la de agua, y normalmente el caudal resultante en el canal es incapaz de mover el exceso de carga sólida que ingresa, generando depósitos a la entrada. En el Canal del Dique, estos depósitos generan necesidades de mantenimiento (dragados), que resultan onerosas y problemáticas, pero que en este caso están aparentemente bajo control por la autoridad de navegación, que es CORMAGDALENA.

Dado que el Canal fue reacondicionado en 1984, la capacidad de transporte más allá de los primeros dos kilómetros es suficiente y el Canal conduce eficientemente la carga más fina hacia su desembocadura en Pasacaballos. Por el camino, sin embargo, algunos de los materiales sólidos transportados se desvían hacia otros lugares como el sistema cenagoso, hacia el mar por el Caño Correa y hacia la bahía de Barbacoas por los Caños Matunilla y Lequerica. En resumen, solamente un 30% del flujo de agua y sedimentos que ingresa al Canal por Calamar llega a la bahía de Cartagena, y esto representa apenas un promedio de un millón y medio de metros cúbicos de materiales depositables en el delta de Pasacaballos, zona que por su más reciente desarrollo (1973-2006), ha generado la preocupación de Cartagena, que clama por una solución efectiva al problema de la sedimentación antes de que éste comience a afectar las profundidades del canal de acceso al puerto marítimo de la ciudad.

A pesar de que estos volúmenes no representan un problema verdaderamente grave, dado que pueden y están siendo dragados por CORMAGDALENA, el problema principal radica en que esos materiales dragados, que en su mayor parte provienen únicamente de los últimos 10 Km del propio Canal, han venido siendo dispuestos de forma inconveniente a lo largo de dos “lengüetas” que hoy en día se proyectan a partir de la boca del canal del Dique en dirección hacia el canal navegable de la bahía. CORMAGDALENA ha entendido la situación generada y ya ha tomando medidas para corregir el problema disponiendo los





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materiales dragados en mar abierto. Entre tanto, el clamor de la ciudad sigue siendo el de eliminar definitivamente los sedimentos, para lo cual se ha realizado la presente investigación.

4.2. TASAS DE DERIVACIÓN DE SEDIMENTOS HACIA EL CANAL DEL DIQUE

El Canal del Dique constituye un canal de derivación lateral o una difluencia a partir del Río Magdalena; y por tanto corresponde a un cauce aluvial con una carga sedimentológica abundante y variada, constituida por partículas de arena, limo, arcilla y coloides, que son la única fuente de sedimentos del Canal, cuya escorrentía originada en sus alrededores es muy limitada dado el escaso relieve de su cuenca hidrográfica y la ausencia de afluentes de importancia.

La derivación de sedimentos a partir de cauces aluviales ha sido estudiada extensamente, y ha sido compilada por varios investigadores, incluyendo al especialista del LEH-UN autor del presente informe4. Adicionando las mediciones realizadas en el modelo físico del Canal del Dique dentro del presente proyecto, a los datos provenientes de las investigaciones anteriores disponibles en la literatura técnica mundial, se obtiene la curva de la Figura 4-1, que presenta las tasas de derivación a esperar para materiales finos en suspensión, y para los materiales gruesos de la carga de arrastre y de la carga en suspensión más cercana al lecho de la corriente. Dado que la tasa de derivación de caudal en Calamar es conocida, esta curva provee una forma simple de estimar las tasas de aporte sólido más probables desde el río Magdalena hacia el Canal del Dique.

Figura 4-1: Tasas de derivación de sedimentos en una difluencia de un cauce aluvial

TASA DE DERIVACIÓN DE SEDIMENTOS VS TASA DE DERIVACIÓN DEL FLUJO

0%

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Freeman (1929) 60°Dancy (1947)RiadUSBR (1953-60)Car & Enger (1963)Ordóñez (1972)Freeman (1929) 90°Modelo Canal del Dique LEH-2006

Material Fino en Suspensión

Arrastre y suspensión cercana al fondo

4 Ordóñez, J.I. “Modelos Hidráulicos de Bocatomas y Sedimentadores”. ESTUDIOS Y ASESORÍAS Ingenieros

Consultores Ltda. Para INAT, Septiembre, 1994.





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4.3. SOLUCIONES PLANTEADAS PARA EL CONTROL DE LA SEDIMENTACIÓN

El problema de controlar la sedimentación del Canal del Dique ha sido estudiado desde tiempo atrás. Los principales trabajos realizados han sido compilados por la Universidad del Norte de Barranquilla, la cual los lista así :

• Frederick Snare Co. (1.934): realizó el corte de Paricuica para conectar la ciénaga de Matuna con el caño del Estero y la bahía de Cartagena.

• Standard Dredging: modifica el Canal conectándolo con la bahía de Cartagena, y dejando solo 93 curvas entre el río Magdalena y la bahía, con un radio mínimo de 500 m, ancho de la solera de 45 m y profundidad mínima de 2,40 m. El volumen dragado alcanzó los 9´300.000 m3.

• Layne Dredging y Sanz & Cobe Ltda. (1981-84): reduce el número de curvas entre Calamar y Pasacaballos a 50; modifica el radio mínimo de 500 a 1000 m; el ancho de fondo de 45 a 65 m; y la longitud del Canal a 115 km; profundidad mínima 2,50m. El volumen dragado fue de 18´800.000 m3.

A partir del año 1973, con la publicación del informe de la Misión Técnica Colombo-Holandesa, (MITCH)5, se inicia el proceso de análisis de estructuras hidráulicas como solución al ingreso de sedimentos al Canal, con particular referencia a la eliminación del crecimiento de los deltas de Pasacaballos en la bahía de Cartagena, y Matunilla y Lequerica en la bahía de Barbacoas. De tal proyecto nació la idea de emplear esclusas a la entrada y a la salida del Canal para controlar los flujos de agua y sedimentos sin eliminar la navegación a lo largo del Canal. Debe tenerse en cuenta que en esa época el Canal no era el de ahora, dado que los caudales medios en 1972 eran del orden de 350 m3/s, el ancho y la profundidad del mismo mucho menores; también se debe advertir que estas recomendaciones tuvieron un carácter general y no se basaron en análisis hidrológicos, hidráulicos o ambientales, puesto que en la época no existía este tipo de información.

Aunque el primer análisis serio de este tipo de alternativa realizado en 1976 (6), demostró su alto costo frente a los posibles beneficios, descartando la posibilidad de su construcción; a medida que el delta de sedimentos en la bahía de Cartagena ha ido creciendo y desarrollándose, ha resurgido la idea de utilizar compuertas y esclusas. El último trabajo realizado por la Universidad del Norte de Barranquilla, para CORMAGDALENA (7),antecesor directo del presente estudio, describió un conjunto de 4 alternativas y seleccionó una para su estudio detallado: la denominada Alternativa IV, cuya descripción se presenta más adelante.

Con el fin de proporcionar una idea general sobre las alternativas que han sido propuestas hasta la fecha, se presenta a continuación un resumen de las mismas basado

5 Misión Técnica Colombo-Holandesa. Río Magdalena And Canal Del Dique Survey Project. Adenavi-Nedeco. 1974 6 CEI Ltda. “ Control de la Sedimentación en el Canal del Dique”. MOPT, 1976. 7 UNINORTE, “Canal del Dique – Plan de Restauración Ambiental – 1ª Etapa”. Ediciones Uninorte, 2001





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en la información aportada por la Universidad del Norte, y se hace un comentario general sobre otras posibles alternativas a estudiar y sobre el tipo de problemas que pueden presentar y que son susceptibles de ser investigados en el modelo físico, para luego entrar a describir los ensayos realizados en dicha instalación.

4.3.1. Alternativa I: Dos esclusas, una en Calamar y otra en el estrecho Rocha-Correa

Con esta solución se corta totalmente el flujo de agua y sedimentos, por lo cual se modifican substancialmente los niveles en el Canal y se interrumpen las conexiones entre éste y las ciénagas, por lo cual se proponen en forma inespecífica diques a lo largo del Canal entre las dos esclusas, con compuertas y estaciones de bombeo en las conexiones entre el Canal y las ciénagas para mantener el flujo de agua en el sistema. Esto requeriría de la operación y el mantenimiento de dichas estructuras y equipos, así como dragados para la adecuación de la navegación. Se considera, además, la necesidad de estudiar el problema de intrusión salina.

Con la construcción de las obras de esta alternativa, los ciclos hidrológicos naturales serían difícilmente reproducibles debido a la reducción de los niveles a lo largo del Canal, razón por la que se puede inferir la alteración del ecosistema, debido que en época de niveles altos el Canal drena hacia las ciénagas y en niveles bajos las ciénagas drenan hacia el Canal, permitiendo el intercambio hídrico y la migración de especies ícticas en el sistema.

4.3.2. Alternativa II: Una sola esclusa de navegación en Calamar

Se propone en esta alternativa, mantener el mínimo nivel que permita la navegación, presentándose el mismo problema de la alternativa anterior por el cambio de las condiciones naturales de interrelación hídrica y de especies, afectación para el suministro de agua en bocatomas de acueductos y alcantarillados, y la posibilidad de avance de la cuña salina.

Esta alternativa, al igual que la anterior, debe considerar la operación de compuertas y estaciones de bombeo para transferir agua del Canal a las ciénagas, y su respectivo mantenimiento.

De acuerdo con la evaluación de la Universidad del Norte, las Alternativas I y II “son las menos aconsejables de implementar, porque producen, en el corto y mediano plazo, un impacto negativo muy significativo sobre el recurso pesquero y ocasionarían la virtual desaparición de los bosques de pantano y de mangle localizado en el delta del Canal del Dique, debido a que favorecen procesos de salinización. Así mismo, porque en el largo plazo conducirían a la desecación de las ciénagas y con ello se afectaría la biota que depende de estos ecosistemas…”

4.3.3. Alternativa III: Una Sola esclusa con estructura de control de sedimentos localizada en la región del Medio Canal del Dique

Esta solución mantendría el intercambio de aguas entre el Canal y las principales ciénagas de manera similar al existente. Las ciénagas servirían como cuenca de





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sedimentación y se requeriría de dragados de mantenimiento entre Calamar y la estructura de control de sedimentos.

En esta alternativa se contempla el control de la intrusión salina por medio de una estructura localizada aguas abajo de la ciénaga de Juan Gómez. De acuerdo con la evaluación de la Universidad del Norte: “…en el largo plazo podría ocasionar un impacto negativo de grandes proporciones en los ecosistemas cenagosos, ya que se favorecería su colmatación, lo cual traería como consecuencia la eliminación de la producción pesquera y la desaparición de habitats que son fundamentales…”

4.3.4. Alternativa IV: Estructura de control de sedimentos en el río Magdalena e interconexión de ciénagas.

Esta alternativa contempla la construcción de una esclusa en la entrada del Canal del Dique, la cual permitiría seguir manteniendo la navegación mayor por el Canal, controlando los sedimentos con una estructura de cierre. Incluye además la rehabilitación del cauce viejo del Canal para permitir la entrada de hasta 350 m3/s de caudal promedio. Adicionalmente, se propone cerrar el brazo izquierdo de la isla Becerra y construir espolones para la protección de la orilla derecha de la isla, con lo que se esperaría que el flujo que se devuelve por el brazo izquierdo de la isla Becerra para ingresar al caño Viejo, al disminuir su velocidad, decantaría el sedimento.

Se debería garantizar que los niveles en el sector alto del Canal permitan el funcionamiento del embalse del Guájaro y construir estructuras de protección contra inundación en las poblaciones de San Cristóbal, Hato Viejo, Higueretal y Villa Rosa, en el Alto Canal del Dique; y Soplaviento, San Estanislao, Piedras, Evitar, Gomero, Mahates, Sincerín y Gambote en el Medio Canal del Dique.

Se buscaría, además, restituir las conexiones del Medio Canal del Dique con las ciénagas, que se perderían al bajar los niveles por la reducción de caudal, procurando restituir los efectos ambientales benéficos de las inundaciones. En el Bajo Canal del Dique se plantea derivar caudal restableciendo el caño Baya, en lugar de aumentar la capacidad del caño Correa por dragado, y cerrar los caños Lequerica y Matunilla.

También se contemplan soluciones sanitarias tanto de acueducto como de alcantarillado y aseo en 16 poblaciones que sirven sus aguas al Canal del Dique. Cualquier solución al manejo de los sedimentos que ingresan al Canal debe asegurar la calidad y cantidad de agua para los distritos de riego y abastecimiento de agua en los acueductos existentes y proyectados a corto, mediano y largo plazo. Adicionalmente, se debería garantizar la permanencia y funcionamiento de ciénagas, bosques de pantano y mangle, dando importancia a la preservación de los ecosistemas.

De acuerdo con la evaluación de la Universidad del Norte, la alternativa IV se considera la mejor de las cuatro posibles soluciones contempladas y es la recomendada para estudios detallados. Sobre esta alternativa existe además una variante, la Alternativa IV-A propuesta por la Compañía Nacional del Ródano - CNR -, de Francia.





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4.3.5. Alternativa IV-A – CNR

Consiste en regular los caudales hacia el Canal en Calamar mediante compuertas y construir en forma independiente un canal de navegación alterno donde se implantaría la esclusa para el paso de los barcos. En esta alternativa, el caño Viejo se deja para un caudal mínimo, del orden de 50 m3/s, para propósitos ecológicos (migración de peces), en tanto que el caudal principal hacia el Canal ingresaría por el Canal del Dique, al cual se le adosa una estructura de compuertas con el fin de regular los caudales, particularmente cortando los picos de avenida que son los que llevan mayores concentraciones de material fino depositable en la bahía de Cartagena.

4.3.6. Otras Alternativas – Universidad Nacional

La Universidad Nacional ha propuesto alternativas de manejo de sedimentos en el río mediante estructuras de exclusión de sedimentos. Como este tipo de alternativas han sido menos estudiadas, presentan aún algunas incógnitas de funcionamiento que deben estudiarse en el modelo físico, entre ellas la eficiencia de la estructura para desviar los sedimentos, los procesos de socavación y erosión en el cauce (más complejos que las anteriores), la socavación local y el mismo ataque del río contra la estructura, y en general los aspectos de construcción de la obra y su influencia en el paso de las embarcaciones al entrar al Canal.

4.4. NECESIDAD DE LOS ESTUDIOS EN EL MODELO FÍSICO

En efecto, el modelo físico sólo puede dar información sobre los aspectos hidráulicos y sedimentológicos de las alternativas en las vecindades de la entrada al Canal, es decir, cerca de Calamar, y nada puede decir sobre la interconexión con las ciénagas o de los problemas de reducción de nivel en el Canal más allá de sus implicaciones en la propia morfología del cauce. En términos precisos los problemas a estudiar en cada caso son los siguientes :

• Alternativa IV (UNINORTE): En el planteamiento de esta alternativa se suponen ciertas características del esquema seleccionado que es necesario comprobar, y que sólo pueden estudiarse en un modelo físico, así:

1. Comprobar si el agua puede remontar el brazo y entrar por el Caño Viejo en la cantidad requerida (350 m3/s en promedio), por efecto del cierre del brazo izquierdo de la isla Becerra aguas arriba de la entrada al caño Viejo.

2. Verificar la posibilidad de que el brazo se cierre definitivamente al funcionar el Caño Viejo, o si por el contrario operará como un sedimentador eficiente conduciendo aguas claras hacia el Caño.

A pesar de que estas preguntas parecen muy simples, las respuestas son críticas, pues si el esquema del Caño Viejo no funciona, la alternativa IV en su conjunto no es viable, dado que al no entrar el caudal medio de 350 m3/s por esta vía, la navegación en el Canal sería imposible y se perdería la construcción de la esclusa.





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• Alternativa IV-A (CNR): En esta alternativa, el Caño Viejo se deja para un caudal mínimo, del orden de 50 m3/s, para propósitos ecológicos (migración de peces), en tanto que el caudal principal hacia el Canal ingresa por el Canal del Dique, al cual se le adosa una estructura de compuertas con el fin de regular los caudales, particularmente cortando los picos de avenida que son los que llevan mayores concentraciones de material fino depositable en la bahía de Cartagena. Más allá de si este esquema de operación de las compuertas funciona, lo cual no se puede probar en el modelo físico, esta alternativa plantea ciertos interrogantes que deben ser investigados en el modelo físico; ellos son:

1. ¿Qué problemas se pueden presentar en la zona de acceso a la compuerta y a la exclusa?, ¿el esquema previsto presenta problemas de sedimentación a la entrada, o no?. Es bueno recordar que los problemas sedimentológicos existían en el Canal desde antes del dragado de 1984, que solamente los aumentó, al aumentar la entrada de agua.

2. ¿Puede la compuerta impedir el paso de los sedimentos gruesos al interior del Canal, o será necesario dragar detrás de la compuerta?. Si esto sucede, ¿cómo se descargarán los sedimentos dragados de nuevo al Río Magdalena?, ¿o donde se dispondrían?.

3. ¿Será necesario dragar el canal de acceso a la exclusa?, ¿Podrán las embarcaciones entrar al canal de la exclusa?

• Alternativas de la Universidad Nacional: Los exclusores de sedimentos propuestos por la Universidad Nacional ofrecen un tipo de manejo de sedimentos muy diferente al de los esquemas de compuerta y esclusas. Las estructuras de exclusión se construirían en el río Magdalena y no en el Canal del Dique, de modo que no afectarían ni el caudal ni el funcionamiento de las Ciénagas. Estas alternativas plantean incógnitas de funcionamiento hidráulico y estructural que deben estudiarse en modelo físico; entre ellas, la eficiencia de la estructura para desviar los sedimentos, los procesos de socavación y erosión en el cauce que serían más complejos que en los casos anteriores, la socavación local y el mismo ataque del río contra la estructura; y, en general, los aspectos de construcción de la obra y los aspectos de maniobrabilidad de las embarcaciones al entrar Canal.

4.5. MODELACIÓN FÍSICA DE LAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN

4.5.1. Ensayo inicial de la condición actual

Para la operación del modelo, se realizó un ensayo inicial con las condiciones actuales, sin obras y con una derivación simple a través del Canal del Dique. En este ensayo se implementó definitivamente la isla La loca, pero se dejó el alineamiento de la margen derecha del río de acuerdo con la condición de 2002; es decir, sin considerar el proceso de socavación de las orillas. Esta condición se implementó con el convencimiento de que la solución final del problema debería buscar la estabilización de la orilla con el alineamiento que ella tenía en el año 2002.





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En este ensayo y debido a que no se forzó el flujo en ninguna forma aguas arriba de la isla Becerra, la división de caudales fue mayor por el brazo izquierdo (56%), y menor por el derecho (44%). Normalmente la división de caudales es 70%-30% con preponderancia del brazo derecho. El caudal derivado hacia el brazo izquierdo por el canal de comunicación entre la isla Becerra y la isla La Loca fue en promedio del 28%, y la partición alrededor de la isla La Loca fue de 72% por el brazo izquierdo y 28% por el derecho.

El caudal del modelo fue de 35 l/s y el caudal sólido fue de 792 Kg/día. El número de Froude promedio fue de 0.42. Las demás escalas de modelación se presentaron en la Tabla 3-11.

4.5.2. Alternativa IV – Universidad del Norte

Para atender las necesidades de investigación de esta alternativa, el LEH-UN complementó el modelo con la construcción del Caño Viejo al lado del río Magdalena, y conectado al Canal del Dique a la altura de la población de Santa Lucía (como corresponde a la realidad, ver Figura 4-2). Los niveles en el Canal del Dique son conocidos en este punto para cualquier caudal, así que se controlaron para los 350 m3/s, a fin de verificar si el Caño Viejo efectivamente puede funcionar según lo planeado.

Figura 4-2: Esquema de la Alternativa IV – UNINORTE en el modelo físico

Se implementó el cierre del brazo izquierdo en el extremo aguas arriba de la isla Becerra, y se realizó una corrida de 120 horas (3.02 años del prototipo), para observar los





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resultados, los cuales se muestran en el Anexo en lo referente a la hidráulica, y en el Anexo en cuanto a imágenes que muestran el comportamiento del modelo.

Como se indicó para el ensayo anterior, antes de realizarse el cierre del brazo izquierdo aguas arriba de la isla Becerra, conducía el 56% del caudal; una vez logrado el cierre, el caudal por este brazo se hizo cero y el agua comenzó a fluir en dirección opuesta a muy baja velocidad hacia el Caño Viejo. No se detectó ningún impedimento al flujo, pero el caudal no llegó en ningún momento a los 350 m3/s requeridos, por lo cual fue necesario implementar tempranamente un aumento del ancho de la sección, de 30 a 45 m de base.

Una vez iniciado el ensayo, el caudal total pasa por el brazo derecho de la isla Becerra y cerca del 30% del flujo se deriva por el canal de conexión entre las dos islas hacia el brazo izquierdo de La Loca; el sedimento grueso comienza a depositarse colmatando rápidamente la entrada hacia el Caño Viejo, y el flujo disminuye paulatinamente tanto hacia ese Caño como por la conexión entre las islas; hacia el final del ensayo el flujo por el canal de conexión de las islas era mínimo, prácticamente cero. De la misma manera, el caudal por el brazo izquierdo de La Loca, frente a la entrada del Canal del Dique disminuyó desde cerca del 75% en el ensayo anterior, hasta aproximadamente el 15% al final del presente ensayo.

La mayor parte del flujo, o sea el 85% del caudal total se trasladó al brazo derecho de La Loca. A pesar de la ampliación del Caño Viejo, el caudal al final del ensayo fue apenas del 3.5% del caudal total, o sea alrededor de 280 m3/s prototipo, en lugar de los 350 m3/s esperados para el caudal promedio del río Magdalena. Es claro que sin un dragado a la entrada, el flujo disminuiría paulatinamente en el Caño.

Las conclusiones fueron las siguientes :

1. Con el actual alineamiento sinuoso del Caño Viejo y la sección trapezoidal propuesta de 30 m de ancho en la base y taludes 3:1, el agua si entra a lo largo del brazo cerrado y llega al Canal pero no en la cantidad requerida. Para que entren los 350 m3/s se hace necesario aumentar la sección a un ancho en la base de 45 m con el mismo talud de las orillas.

2. En un plazo muy corto, es decir, antes de completar un año prototipo de operación, se produciría una barra de sedimentos gruesos a la entrada del brazo, o sea frente al canal de conexión entre las islas Becerra y La Loca, que conduciría al cierre total del brazo, considerando que en el prototipo habrá fluctuaciones de nivel y proliferación de vegetación acuática además de gran cantidad de depósitos de material fino, efectos que no se pueden reproducir adecuadamente en un modelo de este tipo.

De las anteriores condiciones se deduce que esta alternativa no funciona como está concebida y requiere como mínimo los siguientes cambios:

1. Replanteamiento de la sección transversal o el alineamiento del Caño, o ambos, para asegurar la conducción más eficiente de los caudales en la magnitud requerida.

2. Exige dragado periódico a lo largo del brazo izquierdo de la isla Becerra en el río Magdalena y muy probablemente a lo largo del propio Caño Viejo, cuya capacidad de





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transporte sólido sería insuficiente aún para transportar los materiales más finos en suspensión. Las necesidades de dragado pueden exceder los 200,000 m3/año en el brazo; pero la cantidad a dragar en el Caño Viejo no se puede deducir del modelo físico.

4.5.3. Alternativa IV-A – CNR

Hasta la terminación del Proyecto, la CNR no entregó al Laboratorio un prediseño o esquema detallado de su alternativa de compuerta y esclusa; aunque se sabe que sería mediante dos canales, el actual y otro independiente que debería construirse en un reducido espacio disponible entre la bocatoma de san Pedrito y la entrada actual del Canal. El LEH-UN optó entonces por estudiar su propio esquema, tratando de interpretar las ideas expuestas informalmente por la CNR. Estos experimentos fueron supervisados y aprobados por expertos de esa empresa. Los experimentos realizados fueron los siguientes:

1. Se llevó a cabo un experimento con una estructura doble de compuerta y esclusa, como se aprecia en el esquema de la Figura 4-3, colocándola aproximadamente a 880 m de la entrada del Canal, de modo que la estructura estuviese localizada antes del puente de la carretera a Cartagena. Se asumió una longitud de estructura de aproximadamente 270 m, correspondiente a la esclusa. La parte de las compuertas tuvo un ancho total de 30 m, con tres compuertas de 10 m cada una. Estas compuertas se mantuvieron abiertas durante todo el ensayo, y se verificó el paso del caudal de 350 m3/s previsto. La solera de las compuertas se colocó sobre el fondo natural del Canal, el cual se desarrolló en el modelo a partir de un ensayo de 120 horas de duración con las condiciones naturales actuales, para borrar las variaciones morfológicas introducidas en el experimento anterior con el Caño Viejo, al final del cual el brazo derecho tenía una profundidad bastante alta y el brazo izquierdo muy baja desde la cabecera de la isla La Loca.

2. Se realizó un segundo experimento con la solera de las compuertas mucho más baja, para verificar si el fondo desarrollado en la primera parte del Canal había sido forzado por el nivel de la solera. No se cambió de lugar la estructura, pero se suprimió definitivamente la esclusa reduciendo la entrada del canal al ancho de la estructura de compuertas, o sea 30 m.

3. A petición de CORMAGDALENA, en un nuevo experimento se movió la estructura de compuertas hacia la entrada (suprimiendo de nuevo la esclusa), para ver si esta nueva posición mejoraba la entrada de sedimentos, o por lo menos se reducían las necesidades de dragado a la entrada del Canal.

4. En un último ensayo, se repitió el anterior, colocando junto a la entrada al Canal del Dique y hacia aguas abajo un espolón de 50 m de largo que había sido diseñado por la firma Hidroestudios Ltda. en los años 80.





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Figura 4-3: Alternativas de obras IV-A - CNR

Los resultados de estos experimentos fueron los siguientes :

• Ensayo No. 03: Condición Original de Calibración

Se realizó una corrida de la condición actual durante 195 horas para devolver al modelo la condición de calibración original, previamente al ensayo de la alternativa de la CNR.





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Se forzó el flujo al inicio de la isla Becerra de modo que se lograra que el caudal fuera de aproximadamente el 50% por cada brazo al finalizar el ensayo.

• Ensayo No. 04: Compuerta y esclusa dentro del Canal a 883 m de la entrada

En este ensayo la solera de la estructura de compuertas se dejó al mismo nivel general del fondo del Canal del Dique en el ensayo anterior. Para acomodar la esclusa, se amplió el ancho del Canal del Dique en los 883 m de la aproximación y se dejó con una sección rectangular; el ancho total fue el equivalente a 162 m del prototipo.

La estructura redujo el flujo, de modo que sólo ingresaron al Canal del Dique unos 400 m3/s al comienzo, caudal que se fue reduciendo paulatinamente hasta llegar a 200 m3/s al finalizar el ensayo, como consecuencia de la sedimentación del Canal que alcanzó niveles del orden de 3.0 m antes y después de la estructura, dado que no se implementó ningún tipo de dragado de mantenimiento.

En consecuencia, se considera que la alternativa si puede reducir el volumen de entrada de agua al Canal, pero deben realizarse dragados periódicos del mismo orden de magnitud del que actualmente se realiza para la limpieza periódica de la trampa de Calamar. El problema de este dragado es que, de no realizarse como es debido, puede hacer necesario el dragar dentro del Canal pasando la estructura de compuertas, lo cual complicaría aún más la operación.

Un problema adicional que se percibe, es que la sección actual el Canal del Dique parece no tener una capacidad de transporte suficiente para mover la carga que le entraría, por lo cual se produciría depositación de los materiales más finos que alcancen a pasar (arenas finas y muy finas, limos gruesos y medios), los cuales causan problemas adicionales de mantenimiento debido a la presencia de las estructuras que impide el paso de las dragas, y la dificultad para conseguir botaderos adecuados en los alrededores del interior del Canal.

• Ensayo No. 6: Compuerta sin esclusa en el interior del Canal, con solera más baja

En este ensayo se bajó la solera de la estructura de compuertas unos 5.0 metros por debajo del nivel del Canal del Dique del ensayo de la condición actual, para estar seguros de que esta solera no es parte del problema de sedimentación a la entrada. Además, para simular el caso en el cual la esclusa se sitúa en un canal aparte, se suprimió la esclusa dejando el ancho del Canal del Dique a la entrada del tamaño original, o sea de unos 80 m de ancho en la superficie del agua.

El resultado fue la entrada de menos cantidad de agua, reduciendo el caudal de entrada al comienzo a solo 340 m3/s, muy cerca del valor requerido (sin necesidad de operar la compuerta). También se redujo la cantidad de sedimentos que entra al Canal, pero el remanente fue suficiente para producir el mismo patrón de sedimentación a la entrada que el observado en el ensayo anterior. La depositación redujo nuevamente el caudal paulatinamente, hasta que al final del ensayo era apenas de 180 m3/s.





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En consecuencia, los resultados son similares a los del ensayo anterior, anotándose que la reducción del caudal medio se logra simplemente con la contracción del ancho del Canal producida por la estructura de compuertas, sin necesidad de operarlas. La operación solo sería necesaria para el caso de caudales mayores al promedio.

• Ensayo No. 7: Compuerta sin esclusa a la entrada del Canal

Para continuar con el esquema de la CNR de regulación del caudal de entrada, que parece a primera vista mejor que el de la Alternativa IV original, se trasladó la estructura de compuerta (sin esclusa), hasta la propia entrada del Canal del Dique, y se ensayó esta condición por 120 horas.

El resultado no fue muy adecuado desde el punto de vista hidráulico, dado que las condiciones de entrada son tales que dos de las tres compuertas se sedimentan rápidamente y el agua termina entrando únicamente por una de ellas. De otro lado, los sedimentos entran rápidamente y colmatan el Canal en la misma forma que en los dos ensayos anteriores, pero esta vez los depósitos están detrás de las compuertas, con lo cual su extracción por dragado es más compleja.

Esta posición de las compuertas no parece conveniente, y es claro que su colocación hacia el interior del Canal, dejando un sector de por lo menos 500 m de aproximación, mejora el funcionamiento hidráulico de la entrada y permite la remoción de los sedimentos en forma más adecuada para el mantenimiento de las condiciones de entrada del agua.

• Ensayo No. 8: Compuerta sin esclusa a la entrada del Canal, con espolón

Para tratar de establecer si existe alguna manera de evitar que los sedimentos entren al Canal mediante la construcción de estructuras de exclusión a la entrada, se adicionó al experimento anterior un espolón de 50 m a la entrada, como se aprecia en la Figura 4-2. Este espolón fue estudiado por el LEH bajo la dirección de la firma HIDROESTUDIOS LTDA. en los años 80, y supuestamente reduce la entrada de sedimentos gruesos en un 50% del volumen original.

El experimento se realizó con éxito, excepto que las condiciones hidráulicas a la entrada no mejoraron mucho, y los depósitos continuaron formándose detrás de la compuerta, si bien a una tasa menor.

• Ensayo No. 9 Compuerta sin esclusa dentro del Canal, con espolón

Para comprobar la utilidad del espolón en mejores condiciones de la estructura de compuertas, se repitió el ensayo 6 con la adición del espolón.

Los resultados del funcionamiento del espolón fueron erráticos debido a la dificultad de medir con precisión la carga sólida que entra al Canal. En efecto, debe tenerse en cuenta que en ninguno de los experimentos con compuertas y esclusas se pudo medir el caudal sólido con precisión, dado que la estructura de medición está al final del sector del Canal y la baja capacidad de transporte hace que todo el material que entra se deposite en el tramo Calamar-Santa Lucía, sin que alcance a llegar a la estructura





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de medición. En esta circunstancia, la Figura 4-1 constituye la única forma de estimar la carga sólida derivada, mientras que la única manera de verificar el funcionamiento del espolón es tomando el tiempo hasta la colmatación total del sector y compararlo con el que toma para sedimentarse sin el espolón. Si bien esta alternativa podría ser ensayada de otra forma, hasta donde llegaron los experimentos, no parece que sea una solución viable. La obra debe además ser analizada desde el punto de vista de navegabilidad, dado que el espolón puede obstruir las maniobras normales de entrada al Canal del Dique por parte de los remolcadores y sus convoyes de barcazas, efecto que debe ser considerado cuidadosamente antes de poder aceptarse como parte de la solución.

Figura 4-4: Alternativas de obras IV-A-CNR: Compuerta sola sin esclusa a la entrada del Canal, con espolón





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4.5.4. Alternativas de exclusión de sedimentos a la entrada del Canal

La Universidad proyectó y estudió, a través de una tesis de maestría, que se venía realizando en el modelo antes de la iniciación del presente proyecto, una estructura de exclusión de sedimentos propuesta por el profesor Jaime Iván Ordóñez, quien la estudió originalmente en 1974, en la Universidad de California en Berkeley, como parte de sus tesis doctoral (8). La estructura proviene de una idea del profesor Hans Albert Einstein, y se le ha dado el nombre de L-Invertida para distinguirla de otros modelos en L diseñados por Ordóñez para el mismo efecto, pero tiene un funcionamiento muy diferente al de sus similares, siendo de muy alta eficiencia en la remoción de materiales de la carga de arrastre y de la suspensión más cercana al fondo de los ríos, para tasas de derivación de agua de hasta el 40%.

La posibilidad de excluir los sedimentos de la carga de arrastre del río Magdalena directamente a la entrada del Canal, es parte de un grupo de soluciones propuestas por los especialistas de la Universidad, las cuales difieren totalmente en su concepción, de las presentadas hasta la fecha.

En efecto, las soluciones discutidas hasta el presente se fundamentan en una premisa básica así: la entrada de sedimentos a las bahías de Cartagena y Barbacoas, se resuelve eliminando al máximo la entrada de agua al sistema, y con ello la entrada de sedimentos. Los técnicos de la CNR han ido más lejos, hasta decir que “los sedimentos son un elemento indisociable del caudal liquido: no se pueden eliminar los sedimentos sin controlar el caudal entrando en el Canal”. La literatura mundial al respecto y los experimentos realizados en el presente trabajo, demuestran el error de esta afirmación. De acuerdo con esa teoría (única considerada desde 1972 hasta la fecha), la problemática asociada a la interconexión de las ciénagas con el Canal, o no existe, o es un problema menor que se puede resolver fácilmente con estructuras muy simples (que ni siquiera han sido planteadas hasta la fecha: enero de 2007).

La tipología de las soluciones planteadas por LEH-UN parte de que el problema básico no es la entrada de sedimentos a las bahías de Cartagena o Barbacoas, sino el estado general del ecosistema de la región, influido en parte por la abundancia de sedimentos en las aguas del río Magdalena derivadas por el Canal del Dique, y también por numerosos factores adicionales no contemplados debidamente en las alternativas de solución propuestas. Las investigaciones preliminares demuestran que el ecosistema funciona con base en el ingreso de una gran cantidad de agua fresca a los caños y ciénagas, que no es lícito disminuir arbitrariamente sin dar una solución adecuada a sus consecuencias; particularmente en lo que hace referencia a la desconexión generalizada del sistema de ciénagas y humedales, a la detención de los procesos morfológicos de desborde y depositación de sedimentos, y al avance de la cuña salina hacia el interior (lo que pondría en grave peligro las fuentes de agua potable de numerosas poblaciones, incluyendo a Cartagena, y de importantes zonas agrícolas).

8 Ordóñez, J.I. “Sediment Extraction at River Diversions” Informe HEL 22 - 4 Laboratorio de Ingeniería Hidráulica,

Facultad de Ingeniería Universidad de California, Berkeley, Enero 1974





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Debido a las consideraciones anteriores, fue necesario concebir otro tipo de alternativas que no estén basadas en el corte del flujo de agua hacia el Canal, sino en el control de los sedimentos y la calidad del agua en todo el sistema. Algunas de esas alternativas son las siguientes:

1. Alternativa V : Mantener la situación actual (no hacer nada). Esta alternativa debe siempre ser considerada como condición de referencia.

2. Alternativa V-a : No construir obras en el Canal del Dique (mantener la condición actual), pero realizar mayores dragados en la zona de Calamar; definir con claridad y realizar obras complementarias de interconexión de ciénagas y canales para mejorar los ecosistemas asociados al Canal. Así se ha considerado la alternativa denominada “Condición actual mejorada”.

3. Alternativa V-b : La misma anterior, pero con la construcción de una obra en el río Magdalena que evite el ingreso al Canal del Dique de una fracción muy importante de los sedimentos, especialmente en el rango de las arenas medias y finas.

4. Alternativa V-c : La misma anterior, pero con la adición de una esclusa en el Canal del Dique entre los caños Matunilla y Lequerica, frente a la población de El Recreo, a fin de controlar los sedimentos finos que pudieran pasar hacia la bahía de Cartagena. Esta esclusa adicional funcionaría en la misma forma y produciría los mismos efectos como complemento de cualquiera de las otras alternativas consideradas.

La alternativa basada en el exclusor de sedimentos busca controlar el efecto que causa la derivación de caudal sólido en exceso de la derivación de caudal líquido (ver Figura 4-1). El efecto se produce cuando las partículas de sedimento que son arrastradas por el agua caen dentro del cono formado por el abatimiento de la superficie del flujo en el río cerca de la entrada del Canal. La estructura de exclusión tipo L-Invertida genera un cono de deflexión más fuerte aguas arriba de la bifurcación, atrayendo las líneas de flujo y las trayectorias de los sedimentos antes de que éstas caigan en el cono más débil de la derivación. El efecto es muy marcado para tasas de derivación del flujo hasta el 50%, por lo cual la estructura es 100% eficiente para tasas bajas como las del Canal del Dique, de sólo el 5 al 10%. La Figura 4-5 muestra un esquema de la estructura y explica su funcionamiento. Éste se basa en 5 elementos simples :

• Contraer la sección transversal del río, aguas arriba de la derivación, en la margen opuesta a la derivación.

• Crear un gradiente de presión fuerte entre el canal de aproximación y la constricción.

• Desviar los sedimentos del canal de aproximación hacia el río, mediante ese gradiente.

• Usar diques altos que no permitan el flujo sobre ellos aún para caudales muy altos.

• Hacer que las velocidades de aproximación a la toma sean menores que las del río aguas arriba.





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Figura 4-5: Cono de Deflexión del Exclusor Tipo L-Invertida

La estructura considerada para el presente caso es un dique de cerca de 1200 metros de longitud, localizado en su mayor parte sobre la Isla La Loca, como se indica en la Figura 4-4 a la Figura 4-7. Una vez cerrado el dique sobre la margen izquierda del río, aguas abajo de la entrada, genera un represamiento del agua frente al Canal, que obliga a una parte muy importante del flujo a retornar hacia el brazo derecho, formando un intenso gradiente de presión desde la margen izquierda hacia la derecha, con lo cual la mayor parte del agua y todos los sedimentos se desvían hacia el brazo de la derecha. El flujo desviado es tan fuerte, que se produce un intenso patrón de socavación alrededor del dique, que debe ser controlado para que no afecte la estabilidad de la propia estructura.

Los resultados de varios experimentos realizados con esta estructura de exclusión de sedimentos para caudales del modelo entre 35 y 50 l/s y cargas sedimentológicas desde 33 Kg/hr hasta 66 Kg/hr permiten deducir lo siguiente :

1. La estructura tiene un excelente comportamiento hidráulico como exclusor de sedimentos; en todos los casos la estructura excluyó todos los sedimentos de la carga sólida suministrada (principalmente carga de material del lecho en arrastre y suspensión cercana al lecho de la corriente), y generó en consecuencia la degradación del lecho previamente formado en el Canal del Dique.

2. La estructura no presenta signos de ataque en la mayor parte de su longitud, pero presenta socavación fuerte en el trayecto de 300 m prototipo cercano a su extremo de aguas arriba. Pruebas realizadas con materiales de enrocado demuestran que esta socavación es controlable por este método.

3. Pruebas realizadas demuestran que existen formas adicionales de mejorar el comportamiento de la estructura frente al problema de socavación local, que además, como se sabe, se muestra exagerado en el modelo a causa de la distorsión geométrica y la distorsión del número de Froude. Una prueba muy exitosa fue la de cambiar el diseño de los últimos 150 m del dique de contracción, cambiándolo por un dique permeable conformado por columnas separadas aproximadamente 5m, con una viga superior de amarre fuera del agua (incluso para caudales muy altos), como se ilustra en la Figura 4-7. Este diseño permite al flujo salir de la estructura sin tener que dar la vuelta al dique, disminuyendo fuertemente la socavación al evitar la





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concentración del flujo que la causaba; lo cual, además, demuestra que esta socavación se debe a la concentración del flujo de salida desde el interior de la estructura conformando una contracorriente a la dirección del flujo en el río, y no al ataque a un dique aparentemente agresivo al flujo por parte del río.

4. El problema de degradación del lecho del Canal del Dique es real, pero su magnitud no puede determinarse en el modelo físico; debe estudiarse mediante modelación matemática, considerando que parte de la carga de arenas muy finas en suspensión, y la carga de material fino en los rangos de limos medios, limos finos y arcillas podrá aún entrar al Canal reemplazando hasta cierto grado el lecho anterior de arenas medias y gruesas. El análisis demuestra que esta socavación ocurrirá a la entrada del Canal e irá disminuyendo progresivamente a lo largo del mismo, con lo cual se evitan los dragados y se mejoran las condiciones de navegación aumentando también los caudales mínimos que ingresan al Canal. Los efectos de esta socavación se pueden mitigar mediante la reducción de la sección del Canal a la entrada y el revestimiento de la sección con enrocado en los trayectos críticos en los primeros 10 Km.

5. Dado que parte de los sedimentos finos puede depositarse en el interior de la estructura debido a la reducción de la velocidad, es posible que sea necesario algún dragado; sin embargo este dragado sería relativamente simple de realizar y los materiales se podrían disponer directamente en el cauce principal.

6. Las condiciones de velocidad y corrientes secundarias en la vecindad de la estructura pueden afectar la entrada de las embarcaciones al Canal; sin embargo, estas condiciones están exageradas en el modelo debido a las distorsiones mencionadas y deben ser analizadas en un modelo sin distorsión geométrica.

Figura 4-6: Esquema general del exclusor tipo L-Invertida en el Río Magdalena





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La primera estructura ensayada se conformó con dos diques impermeables, uno de 150 cm (450 m prototipo) y otro de 210 cm (630 m prototipo), al cual, en ensayos posteriores, se le fue disminuyendo la longitud hasta llegar a 70 cm (210 m prototipo), tal como se indica en la Tabla 4-1. Luego de las primeras horas de operación con esta primera estructura, se evidenció una gran socavación en la punta del dique más expuesto al flujo (ver Anexo ), razón por la cual se adicionó un sector de dique permeable de 50 cm (150 m prototipo), con el fin de reducir el efecto de la socavación local.

En la Tabla 4-1 se presenta el número de horas de operación, la longitud de cada dique y la fecha en que se realizaron los ensayos. Todos los ensayos tuvieron una duración mayor a 40 horas, de tal manera que representaron en el prototipo al menos un año de funcionamiento.

Tabla 4-1: Experimentos con la estructura en L invertida

Obra Fecha Horas de operación

Longitud dique 1

impermeable

Longitud dique 2

impermeable

Longitud dique

permeable

Estructura L Invertida I – orilla 2005 (Ensayo 20)

05 a 09 octubre

51 horas modelo

1.45 años prototipo

150 cm modelo 450 m

prototipo

210 cm modelo 630 m

prototipo

50 cm modelo 150 m

prototipo

Estructura L Invertida II orilla 2005 (Ensayo 21)

10 y 11 octubre

41 horas modelo


150 cm modelo 450 m

prototipo

170 cm modelo 510 m

prototipo

50 cm modelo 150 m

prototipo

Estructura L Invertida III orilla 2005 (Ensayo 22)

11 a 14 octubre

42 horas modelo


150 cm modelo 450 m

prototipo

120 cm modelo 360 m

prototipo

50 cm modelo 150 m

prototipo

Estructura L Invertida IV orilla 2005 (Ensayo 23)

17 a 19 octubre

47 horas modelo


150 cm modelo 450 m

prototipo

70 cm modelo 210 m

prototipo

50 cm modelo 150 m

prototipo

4.5.4.1. Cambios morfológicos

Las secciones levantadas en los experimentos se muestran en el Anexo. En la sección 1 se observa un comportamiento similar en los cuatro ensayos, con un fenómeno de sedimentación hacia la margen derecha y de socavación hacia la margen izquierda que alcanza una profundidad de 7.3 cm (11.7 m). Este patrón se mantiene en la sección 2, siendo la máxima profundidad en el brazo izquierdo de 8.5 cm (13.6 m) y en el derecho de 14.8 cm (23.7 m).

Luego de los ensayos con la estructura L invertida, la profundidad máxima registrada en el brazo izquierdo de la sección 3 fue de 7 cm (11.20 m), mientras que en el brazo derecho se observa un canal profundo que varía de acuerdo con la longitud del dique impermeable, registrándose una profundidad máxima de 11.2 cm (17.9 m). Esta sección en la margen derecha del brazo derecho, mostró una sedimentación de 2 cm con respecto a la condición inicial sin obras.





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La sección 4, que pasa justo por la estructura permeable, en el primer ensayo de la serie (diques impermeables de 150 cm+210 cm y dique permeable de 50 cm), registró una profundidad máxima de 10.6 cm (16.96 m prototipo). Se observó, además, un canal por el brazo izquierdo y otro por el brazo derecho con profundidades de 10.8 cm (17.3 m prototipo) y 13.30 cm (21.28 m prototipo), respectivamente. En esta misma sección los ensayos con las demás modificaciones hechas a la estructura en L invertida, muestran una leve modificación en las profundidades del brazo izquierdo, manteniéndose el canal navegable estable, y un aumento en las profundidades máximas del brazo derecho, alcanzando un valor de 14.80 cm (23.68 m prototipo).

Figura 4-7: Estructura tipo L invertida, con dique permeable en el extremo

De acuerdo con los registros obtenidos en la sección 4.1, que pasa justo por el dique permeable de la estructura L invertida en su tercera modificación (diques impermeables de 150 cm+120 cm y dique permeable de 50 cm), y por el dique impermeable de longitud variable de los ensayos modificados 1 y 2, la socavación en el primer ensayo de la L invertida aún era importante debido a la exclusión de sedimentos en la parte interna de la estructura, es decir sobre el brazo izquierdo. La profundidad máxima medida en este caso fue de 26.4 cm (42.2 m prototipo), mientras que para la segunda modificación fue de 29 cm (46.4 cm prototipo). En dicha sección el canal navegable por el brazo izquierdo no se mantuvo, mientras que el canal del brazo derecho alcanzó una profundidad de 18.1 cm (19 m prototipo).

La sección 4.2 pasa por el dique permeable de la estructura L invertida en su cuarta modificación (diques impermeables de 150 cm+70 cm y dique permeable de 50 cm) y por los diques impermeables de las tres primeras modificaciones realizadas a la L invertida. La primera estructura ensayada presentó su mayor socavación hacia la margen izquierda del río a la altura de la sección 4.1, siendo menor a la altura de la sección 4.2, donde se registró un valor de 21 cm (33.6 m prototipo). La socavación de la segunda estructura





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ensayada, se mantuvo igual a la de la sección 4.1 y la tercera estructura ensayada, registró a la altura de la sección 4.2 la máxima profundidad de socavación, en comparación con las demás estructuras ensayadas, alcanzando un valor de 33.3 cm (53.3 m prototipo). La cuarta estructura ensayada registró una profundidad de socavación a la altura de esta sección de 29 cm (46.4 cm prototipo).

La sección 4.3 se localizó justo frente a la entrada del Canal, y allí se observó una sedimentación importante con respecto a la condición sin obras, pero se mantiene la socavación producida por la cuarta estructura modificada en 29 cm (46.4 cm).

En la condición inicial sin obras el canal navegable a la altura de la sección 5 iba por la parte central de la sección. Con la estructura en L invertida el canal navegable en los dos primeros ensayos se mantuvo, mientras que para los dos últimos ensayos, el canal se recostó hacia la margen derecha.

Durante el primer ensayo de la serie en la sección 1 del Canal del Dique, se observó una socavación del lecho de 6.5 cm (10.4 m prototipo); al final del ensayo en la condición sin obras, de 9 cm (14.4 m prototipo), a partir del cual el fondo se empezó a sedimentar a medida que se iba acortando el dique impermeable, hasta alcanzar una profundidad de 3.3 cm (5.3 m prototipo) con la estructura más corta ensayada.

En las sección 2 del Canal del Dique la socavación inicial se mantuvo para todos los ensayos, siendo 5.8 cm (9.3 m prototipo) la profundidad inicial de la condición sin obras y 10.6 cm (17 m prototipo) la profundidad al final de toda la serie de ensayos.

Figura 4-8: Estructura en L invertida: Localización de secciones de control y limnímetros en el modelo físico

4.5.4.2. Aspectos de navegabilidad: Profundidades y velocidades

Las velocidades medidas en el modelo físico se presentan en las figuras del Anexo. La condición más desfavorable para la navegación se evidenció en el ensayo del dique impermeable de longitud 0.7 m en el modelo, debido a la sedimentación tanto en el río antes de la entrada al Canal del Dique como en el Canal propiamente dicho. El brazo





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derecho de la isla Becerra mostró un proceso de sedimentación pero aún así las profundidades serían suficientes para la navegación del convoy de diseño.

En general, las velocidades medidas máximas en el sector no fueron mayores a 30 cm/s (1.5 m/s en el prototipo). En el brazo derecho de la isla Becerra la velocidad máxima medida fue de 33.1 cm/s (1.7 m/s), aunque las mayores velocidades se registraron en el brazo derecho de la estructura en L invertida, siendo las más altas aquellas medidas en la sección de control 4.3, en los ensayos con los diques de 2.10 y 1.70 m en unidades de modelo. El valor máximo de velocidad registrado fue de 41.9 cm/s (2.10 m/s), lo que representaría una circunstancia especial para la navegación que se tendría que evaluar con mayor detalle.

4.5.4.3. Derivación de caudal líquido y sólido al Canal del Dique

El caudal líquido derivado por el Canal del Dique en la condición sin obras fue de 6.6 %. Luego de colocar la estructura en L invertida, esta proporción no fue menor a 9% en ninguno de los ensayos de estas alternativas. Como se puede deducir, la estructura favorece una extracción de caudal mayor que la condición inicial; estos caudales de exceso se pueden controlar mediante el angostamiento de la sección del Canal a la entrada, como se comprobó en los experimentos con la alternativa IV-CNR.

El caudal sólido derivado disminuyó de 8.7 l/h en la condición sin obras a cero en las primeras horas de operación. Esta condición se mantuvo hasta el final de la serie de ensayos, para los cuales la derivación máxima de material sólido fue de 0.4 l/h, como consecuencia de la socavación del lecho del Canal (ver Figura 4-9).

La Figura 4-10 a la Figura 4-13 muestran los demás esquemas ensayados con aumento paulatino del largo del dique principal (en realidad se buscaba la longitud hasta la cual funcionaba el exclusor). La longitud de este dique es un factor importante en el diseño a fin de obtener condiciones adecuadas dentro de la dársena que se crea. Los investigadores consideran que el dique óptimo corresponde con el esquema de la Figura 4-11, aunque en realidad todos estos esquemas dieron resultados aceptables desde el punto de vista de extracción de sedimentos.





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Figura 4-9: Variación del caudal líquido y sólido derivado por el Canal del Dique con la estructura de exclusión tipo L-Invertida

0.00

0.50

1.00

1.50

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2.50

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Tiempo de operación (horas)

Caud

al lí

quid

o de

rivad

o (l/

s)Ca

udal

sól

ido

deri

vado

(l/h

)

Caudal líquido derivado (l/s)Caudal sólido derivado (l/h)

Estructura en L invertida1.50 m+2.10 m+0.5 m




Figura 4-10: Ensayo 20. L- invertida 1.5 m + 2.1 m + 0.5 m





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Figura 4-13: Ensayo 23. L- invertida 1.5 m +0.7 m + 0.5 m





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5. CONCLUSIONES

El modelo físico del río Magdalena y el Canal del Dique ha sido construido, calibrado y operado exitosamente permitiendo comparar el funcionamiento de las alternativas de solución previstas para resolver el problema de entrada de agua y sedimentos al Canal. Hasta el presente se han estudiado parcialmente las características básicas de las tres soluciones principales que se han considerado, así :

1. Alternativa IV (Universidad del Norte)

2. Alternativa IV-A (CNR)

3. Alternativa V con exclusor de sedimentos tipo L Invertida

Los resultados obtenidos indican que las alternativas IV y IV – A presentan problemas de sedimentación a la entrada de los canales de acceso del agua, y también a los canales de acceso a las esclusas. La solución a estos problemas plantea la realización de dragados de mantenimiento, de magnitud similar a los que se realizan actualmente para el mantenimiento del Canal a la entrada; pero además, de no ser realizados a tiempo pueden producir efectos negativos que harían más difícil la operación subsiguiente, con lo cual deben ser realizados dentro de un régimen de trabajo más estricto.

La Alternativa IV podría ser de mayor interés porque al recuperar el Caño Viejo, ofrece una forma de recuperar el sistema de la ciénaga de Los Negros, hoy colmatado en un alto porcentaje, y porque ofrece la única alternativa que se considera viable al problema del paso de los peces hacia dentro y fuera del sistema cenagoso. Sin embargo, se requiere estudiar la rectificación del Caño, tanto en su alineamiento como en su sección transversal, para mejorar sus características hidráulicas y sedimentológicas, y resolver el problema de la colmatación de la entrada por el brazo izquierdo de la isla Becerra, y la sedimentación del Caño mismo, lo cual seguramente requerirá actividades de dragado y el emplazamiento de algunas estructuras en el río. El estudio de estas obras no se profundizó por cuanto la decisión del gobierno ha favorecido a la alternativa IV-A (CNR) para ser llevada al nivel de diseño.

Las alternativas de compuerta y esclusas presentan numerosos problemas de orden hidráulico y ambiental que las hace poco recomendables, además de ser las más costosas y las que conllevan un mayor número de obras adicionales, aún no totalmente determinadas, para recuperar las condiciones ambientales que se afectarían con su construcción. Algunos de estos problemas pudieron ser estudiados en el modelo y se reportan en el presente informe. Esta alternativa conlleva, además, un mayor esfuerzo y costo de operación y de regulación hidráulica y ambiental del sistema cenagoso, que hace altamente vulnerable al sistema a la ocurrencia de accidentes ambientales.

En el modelo se ha confirmado que la sola construcción del estrechamiento que se requiere para construir la compuerta, es suficiente para reducir en forma sustancial el caudal, lo cual sugiere que un conjunto de angostamientos sucesivos de la sección del





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Canal puede ser una opción eficiente para lograr la reducción que se busca en el caudal, sin necesidad de instalar una compuerta. El modelo comprueba que existirá una alta sedimentación delante de la compuerta y detrás de ella, si no se draga a tiempo y en forma suficiente delante de la obra. El sistema de tramos de Canal más angostos permitiría mejorar su capacidad de transporte haciendo que los sedimentos puedan seguir su paso hacia el sistema cenagoso; también permitiría graduar lentamente la pérdida de nivel, con lo cual se harían posibles los desbordes para caudales menores y se evitaría la desconexión del Canal con las ciénagas. Es claro que la alternativa de control de caudal requiere más estudio antes de poder declararse como verdaderamente operativa, y que los esquemas de control sin compuertas, que hasta la fecha no han sido suficientemente investigados, pueden ofrecer mejores condiciones hidráulicas y ambientales que los esquemas sugeridos tradicionalmente.

Además de esto, existe la necesidad de resolver el problema del paso de los peces, el cual, sin mayor análisis, se ha reducido a una “escalera para peces”, sin saber aún si este tipo de obra funcionaría para las especies locales, muy diferentes a las que normalmente utilizan ese tipo de estructuras en otras latitudes.

Otros problemas a estudiar en esa alternativa, son las condiciones de navegabilidad a la entrada del Canal de la esclusa, que no tendrá caudal ni corriente, frente a un río con corriente fuerte, lo cual requiere análisis sobre un modelo físico no distorsionado como lo es el actual; así como la necesidad de proveer un paso libre para embarcaciones menores que hoy utilizan el Canal sin restricciones y verían seriamente afectadas sus actividades con la operación de la esclusa.

Las alternativas de control parcial de la entrada de sedimentos al canal de la compuerta mediante el uso de un espolón en el río produce resultados erráticos que no permiten asegurar su efectividad por el momento, requiriendo mayor esfuerzo de investigación en el modelo. Sus efectos sobre la navegación deben ser estudiados con atención antes de que se puedan considerar como alternativas reales de solución de los problemas de sedimentación de la Alternativa IV-A (CNR).

La alternativa de la estructura de exclusión de sedimentos tipo L Invertida es muy eficiente desde el punto de vista hidráulico y sedimentológico, permitiendo reducir a cero la entrada de materiales gruesos de la carga de material del lecho del río hacia el Canal. Su efecto, antes que el de promover nueva depositación de sedimentos en el Canal, es el de generar socavación del lecho, asegurando la terminación de las operaciones mayores de dragado en el Canal.

La estructura, sin embargo, debe ser estudiada en detalle desde el punto de vista constructivo y de la navegación. Las condiciones de velocidad y corrientes secundarias en la vecindad de la estructura pueden afectar la entrada de las embarcaciones al Canal; sin embargo, estas condiciones están exageradas en el modelo debido a las distorsiones mencionadas y deben ser analizadas en un modelo sin distorsión geométrica. De otro lado, el cauce del río Magdalena a lo largo del brazo izquierdo de la isla Becerra sería la vía principal de acceso al Canal desde aguas arriba, en tanto que las pocas embarcaciones que provengan de aguas abajo deberán subir y utilizar el canal entre la isla Becerra y la isla La Loca para entrar también por el brazo izquierdo de la Becerra,





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evitando así la zona de velocidades altas cerca de la punta permeable del dique de contracción

Los ingenieros del LEH-UN consideran que esta estructura tiene características que la hacen favorable y mayormente deseable sobre la solución de control del caudal en el Canal, particularmente desde el punto de vista ambiental, por lo cual recomendan continuar la investigación de la misma para optimizar su funcionamiento y darle total viabilidad técnica.





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6. RECOMENDACIONES

Una vez terminada la serie de ensayos realizada en el presente convenio, se llevó a cabo una evaluación conjunta con los resultados de la modelación matemática y de la evaluación ambiental, para establecer el orden de elegibilidad de las diversas alternativas consideradas y decidir el tipo de trabajo que se requiere realizar para dar una respuesta definitiva sobre su viabilidad. Debido a los problemas observados en la alternativa de control con compuerta y esclusas, tanto a nivel de su incidencia ambiental como de la intensificación de los problemas de sedimentación a lo largo del Canal, esta alternativa fue descartada por los especialistas del LEH-UN, quienes han recomendado continuar con el estudio y ensayos de la estructura de exclusión de sedimentos a fin de determinar totalmente sus requerimientos constructivos y conocer mejor sus características desde el punto de vista de navegación.

El Ministerio del Transporte y CORMAGDALENA, sin embargo, han seleccionado la alternativa de control del caudal para controlar los sedimentos , en consecuencia, han decidido llevar a la etapa de diseño la alternativa de compuerta y esclusa en Calamar, y posiblemente una esclusa adicional en El Recreo, cerca de donde se realizó años atrás el corte de Paricuica, en un lugar del Canal del Dique intermedio entre los caños Matunilla y Lequerica.

Independientemente a la decisión del Ministerio y de CORMAGDALENA, los resultados de los ensayos realizados por el LEH–UN sugieren continuar la investigación en modelos físicos de la siguiente manera :

1. Todas las alternativas estudiadas deberían ser ensayadas con caudales bajos y caudales altos para detallar su funcionamiento y sus problemas especiales bajo tales condiciones. Sería conveniente también, realizar ensayos corriendo una serie de caudales que simulen el hidrograma promedio de un periodo de 5 a 10 años, por ejemplo.

2. Para la Alternativa IV (Uninorte) : Se considera posible encontrar una forma de mejorar las condiciones de entrada al Caño Viejo de manera que se reduzca el problema de colmatación a la entrada con material grueso. Esta solución debería buscarse previo el acortamiento de la longitud del Caño y la adecuación de su sección transversal para mejorar su capacidad hidráulica y de transporte sólido. Se recuerda que la habilitación del Caño Viejo asegura una vía libre para el paso de los peces hacia dentro y fuera del sistema cenagoso, que de otra manera podría ser afectado por las estructuras de compuerta y esclusa. Los ensayos en un modelo que puede ser distorsionado deberán permitir el análisis de la influencia del cierre del brazo de la isla Becerra sobre la morfología general del río Magdalena.

3. Para la Alternativa IV – A (CNR) : Es necesario determinar exactamente las dimensiones y localización de las estructuras y la disposición de los canales de acceso de las embarcaciones a la esclusa, para realizar ensayos más precisos y





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determinar las necesidades de mantenimiento de ambos canales, además de juzgar cualitativamente las condiciones de navegación, muy probablemente, sobre un modelo físico no distorsionado. Es necesario investigar y resolver, además, los problemas que se plantean a la navegación menor, la cual se vería restringida por la presencia de las estructuras que se plantean. Igualmente, es necesario resolver el problema del paso de los peces, para no afectar las condiciones de subienda y bajanza de los mismos y evitar producir desequilibrios en las condiciones de productividad de los ecosistemas acuáticos de la ecorregión del Canal.

4. Para la Alternativa del exclusor de sedimentos : Como se mencionó, se considera que esta alternativa es la que produce los menores efectos ambientales sobre los ecosistemas y la que presenta un mejor funcionamiento hidráulico y sedimentológico; así como también la que requeriría de un menor esfuerzo de operación y mantenimiento. Para su optimización se requiere desarrollar una serie de ensayos más detallados en el modelo para determinar su disposición más favorable desde el punto de vista de socavación general y de navegabilidad, así como desde el punto de vista de su influencia sobre la morfología general del río Magdalena. Por el momento, no hay dudas de que estas condiciones pueden ser analizadas en el modelo físico, complementándolos con el estudio de métodos de construcción adecuados.

Dada la decisión del Ministerio del Transporte y de CORMAGDALENA de adoptar definitivamente la alternativa de control de caudal hacia el Canal, se recomienda continuar los estudios de esa alternativa mediante el planteamiento de esquemas realistas de este tipo de obras, que eliminen o minimicen los efectos ambientales causados por la reducción de niveles en el interior del Canal, y estudiar con prioridad las obras adicionales que cada esquema conllevaría y los riesgos ambientales que se puedan generar sobre el complejo sistema de canales y compuertas, en condiciones hidrológicas de difícil predicción.

El esquema final deberá, además, controlar la intrusión salina garantizando el aumento de los caudales mínimos en el Canal y resolver en forma clara y sustentada los problemas del paso de los peces para garantizar la subienda y bajanza, así como la productividad y estabilidad de los ecosistemas de humedales de la zona.

Desde el punto de vista de la navegación, es necesario garantizar que el esquema resultante no deteriore las condiciones existentes para la navegación comercial, como tampoco para la navegación menor de carácter local.





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ANEXO: RESULTADOS DE LA MODELACIÓN FÍSICA

(Ver documento anexo)

CM-CD-03 INFORME MODELO FISICOweb01eja.cormagdalena.com.co/aplicaciones/CanalDique...Informe CM - CD...

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