Movilidad del sedimento de fondo y el material leñoso en ...
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“Movilidad del sedimento de fondo y el material leñoso en dos cuencas del sur de Chile.” Tesis para optar al título de Ingeniero Civil en Obras Civiles Profesor Patrocinante: Sr. Andrés Iroumé Arrau Ingeniero Civil. JOSE MEULEN SILVA VALDIVIA – CHILE 2014
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“Movilidad del sedimento de fondo y el material
leñoso en dos cuencas del sur de Chile.”
Tesis para optar al título de
Ingeniero Civil en Obras Civiles
Profesor Patrocinante:
Sr. Andrés Iroumé Arrau Ingeniero Civil.
JOSE MEULEN SILVA
VALDIVIA – CHILE
2014
Resumen
La caracterización del transporte de sedimentos de fondo y de la movilidad de material
leñoso, es una cuestión relevante para apoyar el diseño de diferentes obras de ingeniería
hidráulica. Sin embargo, pese a su importancia, estos problemas han sido poco estudiados
en el país, especialmente en programas de medición de mediano a largo plazo.
En esta investigación se estudió la movilidad del sedimento de fondo y de material leñoso
en dos cauces andinos del sur de Chile. Uno es el estero Tres Arroyos ubicado en la
Reserva Forestal Malalcahuello-Nalcas, y el otro es el río El Toro en la Reserva Forestal
Malleco, ambos en la Región de la Araucanía.
Entre agosto del 2012 y noviembre del 2013 se realizaron campañas de terreno. Usando el
método de piedras de diferentes tamaños granulométricos representativos del material
del lecho, y marcadas con elementos acústicos (transponedores), se determinó un caudal
de inicio de arrastre de 391 l s-1 para Tres Arroyos y de 1746 l s-1 para El Toro, que
corresponden al 11 % y 13% del caudal de nivel de bankfull, respectivamente.
El 1 y 2,2% del material leñoso se movilizó durante el año 2013 en el Tres Arroyos y El Toro
respectivamente. En el Tres Arroyos el 75% de los LW movilizados tuvieron un largo
menor al ancho del canal de bankfull del sector, mientras que en El Toro este porcentaje
alcanzó el 100%. Se observó que a menor largo adimensional de los LW (Largo LW/ancho
bankfull), mayor es la distancia que estas piezas de madera recorrieron.
Este trabajo se realizó en el marco del proyecto FONDECYT 1110609.
Summary
The characterization of the transport of bottom sediments and mobility of woody material
is relevant to support the designs of various hydraulic engineering installations. However,
despite its importance, these problems have not been very well studied in this country,
especially in measurement programs from medium to long term.
In this research the mobility of bottom sediment and woody material was studied in two
Andean streams of southern Chile. One is the stream Tres Arroyos, located in
Malalcahuello-Nalcas Forest Reserve, and the other stream called El Toro on Malleco
Forest Reserve, both located in the Araucanía Region.
Between August 2012 and November 2013 field visits were performed. Using the method
of stones of different representative granulometric size of the bed material, and labeled
with acoustic elements (transponders), a critical flow of sediment dragging of 391 l s-1 for
Tres Arroyos and 1746 l s-1 for El Toro was determined, corresponding to 11% and 13% of
bankfull flow level, respectively.
During the year 2013, 1 and 2,2% of woody material was mobilized in the Tres Arroyos and
El Toro respectively. In the Tres Arroyos 75% of mobilized LW had a shorter length to
bankfull channel width of the sector, while in El Toro this percentage reached 100%. It was
noted that the smaller the dimensionless length LW (Long LW / bankfull width), the
greater the distance traveled by these pieces of wood.
This work was performed under the project FONDECYT 1110609.
INDICE
CAPÍTULO I: ASPECTOS GENERALES ................................................................................ 1
1.1 Planteamiento del problema. ....................................................................................... 1
1.2 Objetivos. ...................................................................................................................... 3
1.2.1 Objetivo General.................................................................................................... 3
1.2.2 Objetivos Específicos. ............................................................................................ 3
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO. ...................................................................................... 4
2.1 Características de los ríos de montaña......................................................................... 4
2.2 Transporte de sedimentos en ríos de montaña. .......................................................... 4
2.3 Granulometría del lecho e inicio del movimiento del material de fondo. ................... 6
2.4 Caudal de cauce lleno o bankfull. ................................................................................. 9
2.5 Material leñoso de gran tamaño. ................................................................................. 9
CAPÍTULO III: METODOLOGIA. ..................................................................................... 11
3.1 Área de estudio........................................................................................................... 11
3.2 Trabajo de campo. ...................................................................................................... 13
3.3 Granulometría del lecho. ............................................................................................ 14
3.4 Inicio de transporte de sedimento de fondo.............................................................. 14
3.5 Caudales en las estaciones fluviométricas. ................................................................ 15
3.6 Material leñoso movilizado. ....................................................................................... 16
3.7 Crecidas para cada período de estudio ...................................................................... 17
CAPÍTULO IV: ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS. ................................................ 18
4.1 Precipitación, caudal y registro de alturas para periodo en estudio. ........................ 18
4.2 Granulometría del lecho en la sección de control. .................................................... 20
4.3 Determinación del caudal de inicio de arrastre. ........................................................ 21
4.4 Movilidad material leñoso. ......................................................................................... 28
4.4.1 Características de elementos movilizados. ......................................................... 28
4.4.2 Crecidas para cada cuenca en el periodo de estudio. ......................................... 34
CAPÍTULO V: CONCLUSIONES. ...................................................................................... 35
CAPÍTULO VI: BIBLIOGRAFIA. ....................................................................................... 36
INDICE DE FIGURAS.
Figura 1.Localización de las cuencas Tres Arroyos y El Toro. ............................................... 11
Figura 2. Cuenca estero Tres Arroyos, Región de la Araucanía. ........................................... 12
Figura 3. Cuenca rio El Toro, Región de la Araucanía. .......................................................... 13
Figura 4. Precipitación diaria (mm) y caudal medio diario (l/s), periodo del 1 de mayo 2012
al 1 de diciembre 2013. ........................................................................................................ 18
Figura 5. Registro de altura del agua de las estaciones fluviometricas de las cuencas
estudiadas. ............................................................................................................................ 20
Figura 6. Curvas granulométricas de las secciones de control. ............................................ 21
Figura 7. Caudales críticos versus diámetros de piedras con dispositivos acústicos. .......... 22
Figura 8. Caudal máximo por periodo asociado al diámetro máximo movido. ................... 25
Figura 9. Movilidad por tramo en el periodo de estudio para las dos cuencas. .................. 29
Figura 10. Relación entre distancia recorrida y diámetro adimensional de las piezas
movilizadas. .......................................................................................................................... 30
Figura 11. Relación entre la distancia recorrida y el largo adimensional de las piezas
movilizadas. .......................................................................................................................... 31
Figura 12. Relación entre recorrido/diámetro y largo adimensional. .................................. 32
Figura 13. Relación entre distancia recorrida y volumen movilizado de los LW.................. 33
INDICE DE TABLAS.
Tabla 1. Escala de Wolman (1354). Fuente: Asenjo (2011). ................................................... 7
Tabla 2. Clases diamétricas para el método de rastreo con transponedores. ..................... 15
Tabla 3. Caudales críticos de inicio de arrastre de sedimento para diferentes diámetros. . 23
Tabla 4. Caudal critico unitario de inicio de arrastre de sedimentos (qc), obtenido por
diferentes formulas. ............................................................................................................. 24
Tabla 5. Distancia máxima recorrida (m) por evento para clase diamétrica. ...................... 26
Tabla 6. Numero de piedras trasladadas por evento para cada clase diamétrica. .............. 26
Tabla 7. Resumen de movilidad de los LW para las cuencas estudiadas. ............................ 28
Tabla 8. Crecidas y movilidad ............................................................................................... 34
1
Capítulo I: ASPECTOS GENERALES
1.1 Planteamiento del problema.
La información relativa a la movilidad del sedimento de fondo y el material leñoso en los
cauces es muy importante en obras de ingeniería, como por ejemplo, para apoyar el
diseño, construcción y operación de diversas obras hidráulicas. La hidráulica de ríos de
alta montaña con pendiente fuerte es uno de los temas más complejos en la ingeniería
fluvial, donde la evaluación de procesos de transporte de sedimentos sigue siendo un
tópico que requiere de investigación básica y aplicada (Romero, 2011). Respecto al
material leñoso, Gurnell et al. (2002) indican que los trozos de madera que yacen en los
canales ejercen una fuerte influencia en la hidráulica de los ríos, en el transporte de
sedimentos, la morfología del canal y la ecología del cauce.
Son tantas las variables que intervienen y tan compleja la mecánica del transporte de
sedimento que no ha sido posible encontrar una única y universalmente aceptada
ecuación dinámica del transporte de fondo. En su lugar, han sido propuestas por
diferentes autores una serie de ecuaciones aproximadas (ecuaciones empíricas,
semiempíricas o basadas en diferentes teorías) que presentan diversas limitaciones
(Jiménez, 2006). Algunas de estas fórmulas han sido calibradas con datos de un rio en
particular o derivadas para un río específico (Parker et al., 1982). Por ello, al aplicarlas a un
río de diferentes características, los resultados no son tan buenos (García et al., 1998). La
complejidad de tamaños y agrupaciones habitual en los ríos de gravas hace que el inicio
de movimiento de las partículas no se produzca alrededor de un pequeño rango de
valores de energía de flujo, como ocurriría en un río de granulometría más uniforme. Este
hecho complica su correcta determinación con las fórmulas hasta ahora conocidas. Estos
modelos necesitan datos en terreno que logren calibrar resultados obtenidos en
laboratorio. Pese a su importancia, esta información de terreno es relativamente escasa
en el país, y aún lo es más en cuencas de montaña. No existen muchos estudios referidos
al tema, ya que tanto el costo de estos estudios como el tiempo que se necesitan para
efectuarlos se convierten en una limitante para el desarrollo de estas investigaciones.
2
Otra característica de los torrentes de montaña es la presencia de material leñoso de gran
tamaño (LW o large wood según la nomenclatura en inglés). La presencia de madera en
los cauces genera un efecto significativo en la morfología, acumulación de sedimentos,
resistencia al flujo y pérdida de energía (Fuentes, 2011), y por lo tanto los estudios
respecto a su movilidad son importantes para conocer en detalle su dinámica. Si bien la
investigación sobre la abundancia y distribución longitudinal del material leñoso en cauces
es en general abundante, la información sobre la movilidad es más escasa (Iroumé et al.,
2011). Esta información es de importancia para la evaluación del riesgo asociado al
transporte de LW en cuencas de montaña, los que pueden causar daños a infraestructuras
al bloquear alcantarillas y puentes, y para plantear operaciones de manejo de la
vegetación perifluvial en ríos urbanos en el caso de que el riesgo por movilidad de LW se
considere importante (Iroumé et al., 2011).
La presente investigación pretende aportar al conocimiento respecto de las condiciones
del inicio de transporte de sedimento de fondo y la movilidad del material leñoso, en un
estudio en dos cuencas andinas de la Región de La Araucanía, provincia de Malleco.
3
1.2 Objetivos.
1.2.1 Objetivo General.
Determinar las condiciones de inicio de transporte de sedimento de fondo y la movilidad
del material leñoso en dos cauces que drenan cuencas andinas forestales localizadas en la
Región de La Araucanía, provincia de Malleco.
1.2.2 Objetivos Específicos.
Estudiar la movilidad del material de fondo mediante la utilización de piedras de
diferentes tamaños granulométricos representativos del material del lecho, y
marcadas con elementos acústicos (identificación por radiofrecuencia).
Relacionar el tamaño y la distancia movilizada con los caudales registrados en los
cauces de estudio.
Identificar los caudales críticos de inicio de arrastre para el material representativo
del lecho de ambos cauces.
Estudiar las tasas de movilidad, las dimensiones y la distancia recorrida por el
material leñoso en ambos cauces.
Relacionar las características del material leñoso movilizado con los caudales
registrados en los cauces de estudio.
4
Capítulo II: MARCO TEÓRICO.
2.1 Características de los ríos de montaña.
Los ríos de montaña se caracterizan por poseer lechos pavimentados con sedimentos
gruesos, y el calibre de estas partículas le da al lecho una rugosidad elevada y una gran
resistencia al flujo. Bajo esta capa se encuentran partículas de menor tamaño; esta
característica se denomina acorazamiento del fondo lecho y éste fenómeno es uno de los
causantes de la gran variabilidad espacial y temporal del transporte de sedimentos en este
tipo de ríos.
Otra característica de estos cauces es su pendiente longitudinal pronunciada, que según
Romero (2011) varia de 5 a 10 %. Las tasas de caudales tan variables son producto de su
pendiente. López (2005) menciona que los ríos de montaña poseen un régimen
hidrológico acusadamente estacional con gran variabilidad espacial y temporal. También
agrega, con respecto a su morfología, que presentan una elevada variabilidad espacial
pero reducida variación temporal, donde se pueden encontrar diferentes formas de lecho
que se van turnando a lo largo del cauce.
Romero (2011) afirma que los ríos de montaña se pueden considerar estables debido a
que solo para caudales de magnitud considerable se observan tasas de transporte de
sólidos de fondo, o el sedimento es puesto en movimiento. Lo anterior es debido al calibre
del sedimento que lo compone y por el efecto de acorazamiento. Badilla (2011), observa
en un estudio de un rio en la Cordillera de la Costa, que los caudales sobre el nivel de
cauce lleno o bankfull se presentaron un 0,05% del total de registros analizados y
aportaron un 83,5% del transporte total de sedimentos medido en 24 meses de estudio.
2.2 Transporte de sedimentos en ríos de montaña.
El transporte de sedimentos se define como la carga sólida movilizada por el flujo a lo
largo del curso de agua y es considerado un aspecto clave en los procesos fluviales,
principalmente por su directa relación con la dinámica y morfología de los cauces (Asenjo,
2011).
5
La cantidad transportada por un cauce depende, entre otros, de factores como el
acorazamiento del lecho, el caudal, el sedimento disponible en la cuenca y cauce, y de la
presencia de obstáculos que forma el material leñoso; esta dependencia le dan gran
variabilidad espacial y temporal al transporte de sedimentos, además convierten al
problema de predecir la taza del transporte en una cuestión complicada. Hasta ahora,
existen solo formulas estimativas que permiten dar una respuesta aproximada al
problema.
El transporte de sedimentos se puede clasificar según su mecanismo de transporte en dos
tipos: el transporte de sedimento en suspensión y el de arrastre de fondo; el primero
depende mayormente de las partículas que provienen de las laderas de las cuencas, el
segundo depende de la erosión del lecho del cauce. Lenzi et al. (2003) confirman la
relación entre el transporte sólido en suspensión y la disponibilidad de sedimentos finos, a
diferencia del transporte de fondo que está directamente relacionado con las variables
hidrodinámicas del cauce en estudio; además, para un mismo caudal líquido se pueden
presentar distintas concentraciones de sedimentos en suspensión pero una sola
concentración de sedimento de fondo.
El transporte de sedimento en suspensión se refiere al caudal sólido que se desplaza
libremente en la corriente del cauce. Está compuesto principalmente por arcilla y
materiales finos provenientes principalmente del lavado de la cuenca hidrográfica (Badilla,
2011), y en menor medida de la erosión del propio cauce. Posee una gran variabilidad
espacial y temporal y es de corta duración; además las tasas importantes de transporte de
material en suspensión son producto de eventos inusuales como grandes lluvias,
derretimiento de nieves, derrumbes o usos de suelos que faciliten la producción de
sedimentos, pero en condiciones normales las tasas presentes en un cauce, son bajas. De
lo anterior, se concluye que este tipo de transporte depende principalmente de la
disponibilidad de materiales finos. La variabilidad que presenta este tipo de movilidad es
muy alta, y su participación se sitúa dentro de un rango de 70 y 95% para ríos fluviales, y
entre 10 y 90% para torrentes (Simons y Sentürk, 1977).
6
Transporte de fondo se define como el caudal sólido que se transporta en forma de
arrastre, rotación o saltación, y su tasa de movilidad depende directamente de la
capacidad de arrastre del flujo de agua. Generalmente es el componente de mayor
importancia en el transporte sólido total en los torrentes, y según Aguirre-Pe (2000) en los
ríos de alta pendiente el arrastre de material por el fondo puede comprender cerca del
50% del arrastre total, y en los ríos de baja pendiente, en llanura, el transporte de material
por el fondo está en el orden del 5 al 20% del transporte total. Jiménez (2001) agrega que
el transporte de fondo es el que más repercute en el rio en aspectos de su morfología,
como el ancho o la pendiente, ya que es la causa de sus modificaciones. Sin embargo, es el
proceso menos conocido en los cursos naturales y, en consecuencia, existe una fuerte
carencia de mediciones de campo, especialmente para sedimentos de mayores
dimensiones (Uyttendaele, 2006).
Ashworth y Ferguson (1989), definieron 3 fases para el movimiento de fondo. En la
primera fase las tasas de transporte son muy bajas, en la segunda fase o fase de
transporte selectivo, se aumenta las tasas debido al rompimiento de la coraza superficial.
En la tercera fase la granulometría del transporte de sedimentos es similar a la curva
granulométrica del sector en estudio. Lenzi et al. (2003), observaron que en esta fase
existe un movimiento total de las partículas y una rotura completa de la coraza superficial,
este fenómeno se presenta en un periodo de tiempo breve. Según Vericat et al. (2006)
esta fase se produce habitualmente con caudales de cauce lleno o bankfull.
2.3 Granulometría del lecho e inicio del movimiento del material de fondo.
En los ríos de montaña el lecho está constituido por partículas de diferentes tamaños.
Generalmente la característica más influyente de estas partículas en el estudio de inicio y
transporte de sedimento es el peso. Sin embargo se ha observado que en ríos de
montañas el peso específico tiene poca variación entre partículas de distintas
dimensiones, y debido a esto la característica que toma mayor relevancia para describir el
lecho es el diámetro de cada partícula, como representación del volumen del grano
(López, 2005).
7
Existen diferentes definiciones para establecer el tamaño de una partícula tales como:
diámetro de sedimentación, de tamiz, nominal, de caída, etc. (Weber, 2000). Wolman
(1954), citado por Asenjo (2011), clasifica las partículas a partir de la longitud de su
diámetro medio (tabla 1).
SizeClass SizeRange (mm)
Sand
<2
Very Fine Gravel
2-4
Fine Gravel
4-6
Fine Gravel
6-8
Medium Gravel
8-11
Medium Gravel
11-16
CoarseGravel
16-22
CoarseGravel
22-32
VeryCoarseGravel
32-45
VeryCoarseGravel
45-64
Small Cobble
64-90
Medium Cobble
90-128
LargeCobble
128-180
VeryLargeCobble
180-256
Small Cobble
256-512
Small Boulder
512-1024
Large Boulder
1024-2048
VeryLarge Boulder 2048-4096
Tabla 1. Escala de Wolman (1354). Fuente: Asenjo (2011).
La distribución granulométrica del lecho de un río es un aspecto fundamental a la hora de
describir las características físicas de un cauce y analizar su dinámica. Su conocimiento es
8
de gran utilidad para el estudio del transporte de sedimentos y de parámetros de
rugosidad en ecuaciones de resistencia al flujo (Badilla, 2011).
El movimiento inicial de las partículas del lecho en un canal, depende de la granulometría
del lecho, la pendiente y el caudal necesario para generar arrastre, ya que el flujo actúa
sobre estas partículas tratando de sacarlas de su estado de reposo. La resistencia de la
partícula a ser movida puede relacionarse con su peso sumergido, el cual es función del
peso específico sumergido (γs-γ), y del tamaño de su diámetro “D”. Con estas variables
puede formarse el parámetro adimensional o tensión cortante adimensional, también
llamado parámetro de Schields o de movilidad (Badilla, 2011).
El inicio de movimiento corresponde al estudio de las condiciones donde estas partículas
comienzan a moverse. Neil y Yalin (1969), señalan que desde un punto de vista práctico,
no es posible definir el inicio del movimiento, sino, sólo las condiciones correspondientes
a un cierto grado de movimiento que es cuantificable mediante un valor pequeño, pero no
nulo.
En ríos de pendiente fuerte, el inicio de movimiento de las partículas de sedimentos es
retrasada y obstaculizada no solamente por el tamaño de partículas, sino por la
disposición y agrupamiento de las mismas y las formas del lecho, siendo estos
factorescausantes de un incremento en la resistencia al flujo (López, 2005). Aguirre-Pe et
al. (2000), observaron para la iniciación del movimiento tres etapas:
En una primera fase, la partícula del sedimento comienza a vibrar sin cambiar de
posición. La vibración se inicia levemente y aumenta paulatinamente a medida que
aumenta el caudal, hasta que un vórtice la arranca del fondo, en forma súbita.
En la segunda, la partícula se desplaza a saltos, o rueda. El número de elementos
que se mueven es reducido y ellos encuentran fácil y rápido reacomodo aguas
abajo. Las partículas se mueven aleatoriamente y alcanzan sucesivos estadios de
reposo.
En la tercera, se incrementa el número de las partículas que se movilizan por el
fondo. Se observa que muchas de ellas no encuentran acomodo inmediato. Se
detienen temporalmente pero no fijan en un lugar. Se mantienen vibrando y
9
reinician el desplazamiento. Se considera que éstas se encuentran en una
condición de inestabilidad crítica.
La gran cantidad de variables y parámetros involucrados en el movimiento de las
partículas hace extremadamente difícil la cuantificación del movimiento incipiente
(Asenjo, 2011).
2.4 Caudal de cauce lleno o bankfull.
El caudal de cauce lleno o bankfull es generalmente definido como el máximo caudal que
puede ser encausado por un canal sin que el agua se desborde sobre la llanura aluvial
(Uyttendaele, 2006). La determinación del caudal bankfull en torrentes de montaña de
pendiente alta es difícil debido a la influencia de la morfología de fondo y la presencia de
afloramientos de rocas y acumulaciones de sedimentos (Asenjo, 2011). El caudal bankfull
generalmente es el responsable de un porcentaje importante del total de sedimento
transportado en un rio de montaña; en estos ríos se necesita un caudal elevado para que
se pueda producir el fenómeno de movilidad de sedimento.
2.5 Material leñoso de gran tamaño.
Se define material leñoso de gran tamaño (large wood o LW en inglés), a todo tronco o
fragmento de madera de longitud superior a 1 metro y sobre 10 centímetros de diámetro
que se encuentre en los cauces y en sus llanuras inundables adyacentes. Este material
tienen una importancia esencial en la morfología de los torrentes de montaña, y este
efecto se advierte de forma más evidente cuando el material leñoso se encuentra
organizado en acumulaciones (Asenjo, 2011). Fuentes (2011), concluyó que la presencia
de material leñoso en los cauces genera un efecto significativo en la acumulación de
sedimentos, características morfológicas, resistencia al flujo y pérdida de energía,
agregando que en los tramos con abundante presencia de material leñoso, el volumen de
sedimentos acumulados, la resistencia al flujo y la pérdida de energía son
significativamente mayores a lo registrado en tramos con menor cantidad. Marston
10
(1982), citado por Mao et al. (2008) encontró que en ríos de tercer al quinto orden los
sedimentos almacenados por acumulaciones de LW pueden ser mayores al 100% de la
producción total anual de sedimentos. En el torrente Tres Arroyos el total de sedimentos
acumulados en el canal principal debido a los LW corresponde aproximadamente al 150%
de la producción anual del sedimento de la cuenca (Andreoli et al., 2007).
El material leñoso de gran tamaño que se encuentra en los cauces influye de manera
significativa en la morfología, la hidráulica, el transporte de sedimentos (Gurnell et al.,
2002). Las grandes cantidades de LW ejercen una considerable influencia en la
funcionalidad del cauce, formando grandes acumulaciones que influye en la disipación de
energía y tienen un rol importante en la retención y almacenamiento de sedimentos (Ruz,
2013). Andreoli et al. (2007) observaron que los elementos orientados en dirección
paralela al flujo, no parecían influir mayormente en la morfología del cauce sino que
ayudaban a estabilizar las márgenes y protegerlas de la acción directa del flujo principal,
limitando así la erosión de las mismas, pero en cambio los elementos orientados
perpendicularmente a la corriente influían de manera significativa en la morfología y en la
disipación energética del flujo. Además Mao et al. (2008) notaron que los elementos de
LW tienen poca capacidad de formar pozas cuando no se encuentran en acumulaciones.
El transporte hacia aguas abajo del material leñoso depende de varios factores. Estudios
recientes señalan por ejemplo, que el movimiento del material leñoso depende de la
magnitud de las crecidas y no del número de veces en que el agua sobrepasa el nivel
bankfull (Ardiles, 2013). Que es mayor en cauces anchos y profundos y además que los
elementos más móviles son los que tienen una longitud menor al ancho del canal en
condiciones de bankfull. Iroumé et al., (2011) observaron que el 97 % y 100 % de los
elementos movilizados tiene una longitud menor al ancho medio del cauce para dos
canales de la Cordillera de la Costa (Vuelta de Zorra y Pichún, respectivamente), lo que
coincide con lo mencionado anteriormente. El transporte de material leñoso afecta sólo
los elementos más pequeños y no organizados en acumulaciones estables.
11
Capítulo III: METODOLOGIA.
3.1 Área de estudio.
El área de investigación corresponde a los cauces principales de las cuencas Tres Arroyos y
El Toro, ubicadas en la Región de la Araucanía (Figura 1).
Figura 1.Localización de las cuencas Tres Arroyos y El Toro.
El estero Tres Arroyos es un afluente del Rio Cautín, y se ubica en la Reserva Forestal
Malalcahuello-Nalcas propiedad de CONAF, Provincia de Malleco, Región de la Araucanía.
El estero cruza la ruta R-89 a unos 2 Kilómetros al este del poblado de Malalcahuello. Esta
Cuenca tiene una superficie controlada de 907 ha por la estación fluviométrica F2,
denominada así por Uyttendaele (2006). En esta área el clima es templado frío lluvioso
con efecto de altura, con una temperatura media anual de 8,4 ºC. Más información de
esta cuenca se puede encontrar en Ardiles (2013), Andreoli et al. (2007) y Uyttendaele
(2006).
12
El estudio de la movilidad del sedimento de fondo se efectuó a 280 metros aguas arriba de
la estación F2. Para el estudio de la movilidad de los LW, se consideró un segmento de
2070 m de longitud divido en 22 tramos de 94 m de largo promedio (Iroumé et al., 2014).
El ancho de cauce lleno es en promedio de 9,8 m y el nivel de bankfull en la sección de la
estación fluviométrica es de 0,6 m (Ardiles, 2013). En la figura 2 se muestra la zona de
estudio.
Figura 2. Cuenca estero Tres Arroyos, Región de la Araucanía.
El Toro, que corresponde a un afluente del Rio Niblinto, se ubica en la Reserva Nacional de
Malleco, Provincia de Malleco, Región de la Araucanía. Rivera et al. (2002) lo describe
como un rio pedregoso con fondo rocoso, clastos de 40 a 60 cm, con fuertes turbulencias.
La cuenca cuenta con una estación fluviométrica que controla una superficie de 1.750 que
ha operado desde el 7 de julio de 2008 y con un pluviógrafo funcionando desde 7 de julio
2008, situado a 725 m de altitud sobre el nivel del mar (Jordi, 2011). En el sector de
ubicación de a estación fluviométrica se realizó el estudio de la movilidad de sedimento de
fondo. El estudio de la movilidad de los LW se realizó en un segmento de 2187 m de
13
longitud, dividido en 17 tramos de longitud media de 128 m (Iroumé et al., 2014). El ancho
de cauce lleno es en promedio de 13 m y el nivel de bankfull en la sección de la estación
fluviométrica es de 1,2 m (Ardiles, 2013). En la figura 3 se observa la cuenca del rio El
Toro.
Figura 3. Cuenca rio El Toro, Región de la Araucanía.
3.2 Trabajo de campo.
El trabajo de campo consistió en obtener información directa en las secciones de control
de cada cauce en estudio. Para ello, se realizaron salidas a terreno de forma periódica
desde Abril a Diciembre de 2013. Además, estos datos se adicionaron a los obtenidos
durante 2011 y 2012 para así extender el período de estudio.
Estos datos permitieron determinar características de los cauces estudiados, tamaño de
las partículas (granulométria del lecho), curvas de descarga, inicio de transporte de
sedimentos, además de la movilidad de material leñoso.
14
3.3 Granulometría del lecho.
La granulometría del lecho de la sección de control de ambos cauces se determinó usando
el método de Wolman (1954), Millanao (2010) explica detalladamente este método.
Se registraron 120 partículas en cada una de las secciones de control de ambas cuencas,
procediendo de la siguiente manera; se determinó una ruta por el cauce y se caminó por
esta, y cada tres pasos, se tomó la partícula que se encontraba justo bajo la punta del
zapato, midiendo el diámetro b de cada piedra. En el caso en que el material estuviera
incrustado o era demasiado grande para moverse, se midió el eje menor visible. Después
de la recolección de datos, éstos se agruparon de acuerdo al tamaño de clase de la
partícula para posteriormente representarlos gráficamente conforme a sus distribuciones
y obtener la granulometría representativa y su curva respectiva de cada sitio.
3.4 Inicio de transporte de sedimento de fondo.
Para estimar el caudal de inicio de movimiento, se usó el método de rastreo de las piedras
marcadas con transponedores o “pit”. Este método se define como identificación por
radio frecuencia y consta de tres componentes: la unidad de lectura y de control para leer
la información, la antena y el transponedor que va incrustado en cada partícula. Una
ventaja de este sistema es su capacidad de identificar de forma única cada partícula sin la
necesidad de tenerla a la vista. Por lo tanto, las partículas enterradas pueden ser
identificadas sin perturbar la superficie del lecho del canal (Schneider et al., 2001).
Las piedras obtenidas a partir del método de Wolman, se categorizan en base a la curva
granulométrica. Luego, según el porcentaje de participación de cada clase diamétrica se
determinó el número de piedras para cada categoría (Tabla 2).
15
Tres Arroyos El Toro
Clase Diamétrica (cm) Nº de Piedras Nº de Piedras
0 a 5 8 1
5 a 7,5 6 10
7,5 a 10 6 1
10 a 20 6 17
20 a 30 3 2
> 30 1 2
Tabla 2. Clases diamétricas para el método de rastreo con transponedores.
A cada piedra elegida se insertó un transponedor para facilitar la búsqueda de las
partículas que al ser arrastradas por los caudales pueden recorrer distancias considerables
o en algunos casos quedar bajo la superficie. En cada visita a terreno, se observó si las
piedras marcadas han sido movidas y se midió la distancia de las que se habían desplazado
de la sección de control. También se contó el número de piedras movidas para cada clase
diamétrica. En algunos casos, las partículas no están a simple vista y se necesita hacer un
barrido completo por el cauce, usando la antena. Luego de registrar estos datos, las
piedras que fueron movilizadas y encontradas se depositan nuevamente en la sección de
control. Con estos datos se graficó la distribución entre el diámetro mayor movido y el
caudal máximo del evento y se generó una curva de ajuste de envolvente de los valores
máximos. Esta curva se utilizó para determinar los caudales críticos para los diámetros de
interés, incluyendo el caudal de inicio de movimiento de sedimento de fondo siguiendo a
Badilla (2011).
3.5 Caudales en las estaciones fluviométricas.
Para estimar los caudales en las estaciones de control de cada cuenca, se realizaron varios
aforos en las salidas a terreno, los cuales se adicionaron a datos tomados con anterioridad
a esta investigación. La tarea de aforar consistió en registrar la altura de la regla
limnimétrica, medir el área mojada de la sección y la velocidad del agua en varios puntos
de un eje transversal del cauce a través de un molinete para calcular el caudal al momento
16
del aforo. Con estos datos se relacionó la altura de la regla con el caudal para construir la
curva de descarga de cada sección.
3.6 Material leñoso movilizado.
Se realizó una campaña en el mes de diciembre del 2013 en la cuenca Tres Arroyos, y en
enero del 2014 para El Toro, donde se recolecto información de la movilidad de los LW en
cada uno los tramos.
Teniendo presente la metodología y los datos registrados en el estudio realizado por
Ardiles (2013) y Ruz (2013), se recorrió cada tramo del cauce para observar si existió
movilidad de los LW; en caso positivo se midió la nueva posición y se registraron sus
nuevas características como, posición (bankfull o en el borde de la sección del canal al
nivel de cauce lleno, en los márgenes, dentro del cauce, puente, step o escalón de
troncos), la orientación con respecto al flujo (paralelo, ortogonal, oblicuo) y organización
(aislado o en acumulación). Además se registraron los nuevos elementos reclutados
marcándolos con una o más chapas numeradas, dependiendo del tamaño del tronco.
Con respecto al volumen de cada elemento, se aproximó su forma a un elemento
cilíndrico y usando su diámetro menor y longitud se calculó con la fórmula: V = π d2 h/4.
Para el caso de las raíces se aproximó al volumen de un cilindro de diámetro igual a la
sección del tallo y altura igual a la longitud de las raíces. El volumen de las acumulaciones
se estimó sumando el volumen de las piezas que la componían (dos o más) cuando era
posible contarlas, o asumiendo un paralelepípedo atendiendo a sus dimensiones en caso
de no serlo (Ardiles, 2013).
Después de registrar el recorrido de los elementos movilizados, se buscó relaciones entre
las distancias recorridas por los LW con el largo no dimensional (largo del elemento/ancho
medio de cauce lleno) y el diámetro no dimensional (diámetro del elemento/profundidad
media de cauce lleno) de cada LW movilizado siguiendo a Iroumé et al. (2011). Del mismo
modo se analizó la relación entre distancia no dimensional recorrida por los elementos
(distancia recorrida/diámetro del elemento movilizado) y el largo no dimensional de los
17
elementos movilizados (longitud de la pieza/ancho de bankfull), según Iroumé et al.
(2011).
3.7 Crecidas para cada período de estudio
A través del registro de los hidrómetros ubicados en las estaciones fluviométricas de cada
cuenca, se obtuvo el registro de alturas de agua correspondiente para el periodo de
análisis. Además, en terreno se definió la altura correspondiente al nivel bankfull en la
sección donde se localiza la estación fluviométrica en cada cauce para comparar los
niveles de crecida con el nivel de Bk. Se establecieron dos condiciones: Condición 1, que
corresponde a un año donde el nivel de agua en crecidas no excedió el nivel de bankfull, y
Condición 2, donde la altura de crecida sobrepasó el nivel de Bk al menos una vez en el
período. Con el fin de parametrizar las magnitudes de las crecidas en relación al nivel de
Bk se utilizó el cociente entre la altura de las crecidas y el nivel de Bk (hcrecida/hBk)
(Ardiles, 2013).
18
Capítulo IV: ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
4.1 Precipitación, caudal y registro de alturas para periodo en estudio.
La figura 4 muestra el registro de las precipitaciones y caudal medio diario de los cauces,
durante el periodo de estudio.
Figura 4. Precipitación diaria (mm) y caudal medio diario (l/s), periodo del 1 de mayo 2012 al 1 de diciembre 2013.
0
20
40
60
80
100
120
140
1600
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Pre
cip
itac
ion
es
(mm
)
Cau
dal
(l/
s)
Tres Arroyos Precipitaciones Diarias Caudal Medio Diario
0
30
60
90
120
150
180
210
2400
3000
6000
9000
12000
15000
18000
Pre
cip
itac
ion
es
(mm
)
Cau
dal
(l/
s)
El Toro Series2 Caudal Medio Diario
19
Para la cuenca Tres Arroyos la precipitación total en el periodo de estudio fue de 2717
mm. Con respecto al caudal, la media es de 621 l/s con una variabilidad entre 198 l/s y
3437 l/s medios diarios.
Para la cuenca del rio El Toro la precipitación total en el periodo de estudio fue de 4448
mm. Para el caudal la media es de 1535 l/s con una variabilidad entre 443 l/s y 10907 l/s
medios diarios.
En el grafico de ambas cuencas se puede observar la relación directa entre las
precipitaciones y el caudal generado por estas, lo cual demuestra el régimen pluvial de
ambos cursos de agua.
En la figura 5 se presenta el registro de altura del agua de las estaciones fluviométricas de
las cuencas estudiadas para el periodo 2013, en el cual se registró la movilidad del
material leñoso. La línea horizontal en rojo representa el nivel de cauce lleno (o bankflull)
en la estación, mientras que la línea azul representa el máximo nivel diario de agua
registrado.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Alt
uta
de
l agu
a (m
)
Tres Arroyos, Malalcahuello
20
Figura 5. Registro de altura del agua de las estaciones fluviometricas de las cuencas estudiadas.
En el estero Tres Arroyos se sobrepasa el nivel bankfull una sola vez. En El Toro no se
alcanza el nivel bankfull, pero varias veces supero el metro de altura. La altura del agua de
estos cauces depende directamente de las precipitaciones caídas en la zona. La
precipitación en Tres Arroyos fue de 1581 mm el año 2013, en El Toro las precipitaciones
fueron de 2566 mm para este mismo año. Estos valores están bajo de la media anual de
las zonas donde están localizadas las cuencas, que es de 2200 mm para el Tres Arroyos
según Andreoli et al. (2007) y entre 2500 a 300 para El Toro según Ardiles (2013) y Solá
(2010).
4.2 Granulometría del lecho en la sección de control.
La clasificación granulométrica del material del lecho del cauce en la ubicación de las
secciones de control de ambas cuencas se determinada con el método de Wolman (1954),
dió un D16 de 25 mm, D50 de 75 mm y un D99 de 430 mm para el estero Tres Arroyos y un
D16 de 73 mm, D50 de 116 mm y un D99 de 505 mm para El Toro. En la figura 6 se muestran
las curvas granulométricas del material de los lechos de las secciones de control de las
cuencas estudiadas.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Alt
uta
de
l agu
a (m
)
El Toro, Malleco
21
Figura 6. Curvas granulométricas de las secciones de control.
La desviación estándar permite observar la tendencia heterogénea que tienen las
partículas de ambas secciones de control, por lo que el lecho es capaz de generar
acorazamiento, característica que es propia de los ríos de montaña. La presencia de
acorazamiento en el lecho generaría una subestimación del sedimento transportado de
fondo, debido al retardo del transporte de partículas finas que no es incluido en la
mayoría de las fórmulas de la literatura, Badilla (2011).
La curva granulométrica de la sección de control del Estero Tres Arroyos, está sobre la
curva de la sección de control de El Toro. Esto demuestra que Tres Arroyos cuenta con
mayor cantidad de material granular fino, lo que concuerda con la inspección a simple
vista. En El toro se puede observar la poca presencia de material menor a 32 mm. Se
observa también que los granos presentes en ambos lechos poseen un diámetro menor a
512 mm. La metodología de Wolman no considera al material menor que 8 mm
generando una similitud en ambas curvas bajo este rango (Millanao, 2010).
4.3 Determinación del caudal de inicio de arrastre.
Para determinar el inicio de arrastre de sedimento de fondo en las dos cuencas, se
relacionó el caudal máximo ocurrido para cada evento de muestreo con el diámetro
superior de la clase diamétrica más gruesa transportada durante el evento estudiado.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Po
rce
nta
je a
cum
ula
do
qu
e p
asa
Tamaño del grano ( mm )
Tres Arroyos
El Toro
22
En la figura 7 se grafican los 8 pares de valores para Tres Arroyos y para El Toro obtenidos
a través del método de los transponedores. La curva de mejor ajuste resulto ser de tipo
logarítmica para ambas cuencas.
Figura 7. Caudales críticos versus diámetros de piedras con dispositivos acústicos.
De las curvas obtenidas anteriormente se obtienen un caudal de inicio de arrastre de
sedimentos de fondo de 391 l s-1 para Tres Arroyos, el cual es aproximadamente cuatro
veces mayor que los 88 l s-1 estimados por Iroumé et al. (2003) en un estudio en la misma
cuenca, y de 1746 l s-1 para El Toro. La mayor magnitud del caudal crítico del rio El Toro se
puede explicar por su curva granulométrica, en la cual existe mayor participación de
partículas con diámetros mayores. Las curvas de ajuste obtenidas anteriormente se
emplearan para obtener los caudales críticos de los diferentes diámetros característicos.
y = 117,4ln(x) - 700,7
0
50
100
150
200
250
300
350
100 1000 10000
DÍA
MET
RO
(m
m)
CAUDAL ( l/s )
Tres Arroyos
y = 143,2ln(x) - 1069,
0
50
100
150
200
250
300
350
1000 10000 100000
DÍA
MET
RO
(m
m)
CAUDAL ( l/s )
El Toro
23
La ecuación de ajuste para la curva de la figura 6 en función del diámetro para Tres
Arroyos es:
Ecuación 1.
La ecuación de ajuste para la curva de la figura 6 en función del diámetro para El Toro es:
Ecuación 2.
La Tabla 3 muestra los caudales críticos de inicio de arrastre de sedimento para diferentes
diámetros para Tres Arroyos y El Toro, aplicando las ecuaciones 1 y 2, respectivamente.
Tres Arroyos El Toro
D (%) D ( mm ) Qc (l/s)
D (%) D (mm) Qc (l/s)
5% 10 432
5% 51 2520
10% 15 451
10% 67 2819
16% 25 491
16% 73 2940
25% 45 583
25% 82 3131
30% 48 598
30% 89 3288
35% 52 619
35% 95 3429
40% 55 635
40% 101 3575
50% 75 753
50% 116 3971
65% 95 893
65% 145 4864
75% 130 1205
75% 168 5712
84% 185 1928
84% 254 10423
90% 250 3360
90% 390 26979
95% 330 6657
95% 460 44016
97% 380 10206
97% 500 58223
98% 390 11117
98% 500 58223
99% 430 15648
99% 505 60294
Tabla 3. Caudales críticos de inicio de arrastre de sedimento para diferentes diámetros.
24
Según la tabla 2, el 99% de los áridos constituyentes del lecho del estero Tres Arroyos se
encuentran en movimiento con un caudal de 15648 l s-1, mientras que en el Rio El Toro se
necesita un caudal de 60294 l s-1 para movilizar el mismo porcentaje. El caudal bankfull es
capaz de movilizar el 91 % de las partículas en el Tres Arroyos, y en el rio El Toro el caudal
bankfull es capaz de movilizar 86 % de las partículas. El transporte marginal, transporte
inicial con bajas tasas de sedimentos y con partículas menores a 8mm, se alcanzaría para
caudales inferiores a los 418 l s-1 para la cuenca Tres Arroyos, y a los 1846 l s-1 para la
cuenca El Toro.
Los caudales críticos necesarios para movilizar un tamaño determinado de partículas del
lecho son mayores en el rio El Toro que en Tres Arroyos. Esto se debería a que en la
sección de control de Tres Arroyos la pendiente es mayor que la sección de control de El
Toro. Por ejemplo para el diámetro 250 mm existe una diferencia de 7062 l s-1.
La tabla 4 muestra los caudales unitarios obtenidos con fórmulas de diferentes autores.
Autor Tres Arroyos El Toro
qc (m3 s-1 m-1) qc (m3 s-1 m-1)
Bathurst et al. (1987) 0,219 0,658
Rickenmann (1990) 0,154 0,942
Schoklitsch (1962) 0,168 1,133
Estudio 0,043 0,129
Tabla 4. Caudal critico unitario de inicio de arrastre de sedimentos (qc), obtenido por diferentes
fórmulas.
Al comparar los resultados para el Estero Tres Arroyos la ecuación de Rickenmann (1990)
obtiene el mejor resultado con una sobreestimación de 4 veces el valor medido por este
estudio. Para el rio El Toro, la ecuación que entrego el valor más cercano al del estudio,
fue la ecuación de Bathurst et al. (1987) con una sobreestimación de 5 veces el valor.
25
En la figura 8, se grafica el diámetro máximo de las partículas movidas por periodo con el
caudal máximo del mismo periodo.
Figura 8. Caudal máximo por periodo asociado al diámetro máximo movido.
En ambas cuencas la línea que se ajusta a los datos es de tipo logarítmica creciente,
teniendo la curva de Tres Arroyos una pendiente mayor que la curva de rio El Toro. El
comportamiento de las curvas indica que un mismo caudal es capaz de mover piedras de
mayores dimensiones en Tres Arroyos, y este comportamiento está acorde a las
dimensiones de ambos cauces. Se observa también que al aumentar la magnitud de la
crecida, el diámetro máximo de acarreo de los materiales tiende a aumentar.
y = 117,23ln(x) - 736,88 R² = 0,6255
y = 86,695ln(x) - 603,33 R² = 0,5517
0
40
80
120
160
200
240
100 1000 10000 100000
Dia
me
tro
Max
imo
(m
m)
Caudal ( l/s )
Tres Arroyos
El Toro
Logarítmica (TresArroyos)
Logarítmica (El Toro)
26
En la tabla 5 se muestra el registro de las máximas distancias recorridas (en metros) para
cada clase diamétrica por evento, y en la tabla 6 se muestran los registros de la cantidad
de piedras movilizadas para cada clase diamétrica por evento.
Tres Arroyos
El Toro
Q(l/s)/ Clase diam.
0 a 5
5 a 7,5 7,5 a 10 10 a 20 20 a 30 >
30
Q(l/s)/ Clase diam.
0 a 5
5 a 7,5 7,5 a 10 10 a 20 20 a 30 >
30
1183 2,7 1,1 0,9 1,4 0 0
14648 8,5 40,80 1 26,8 6,3 0
600 0 0 0 0 0 0
3456 0 0 0 0 0 0
747 0 0 0 0 0 0
2372 0 0 0 0 0 0
1664 0,26 0,33 1,59 0,23 0 0
2428 0,1 0,3 0 0,1 0 0
1898 0,45 0 0,6 0,15 0 0
1510 0 0 0 0 0 0
2729 35 26,00 45 10,5 0 0
9533 0 1,34 0,15 1 0 0
2956 9,1 6,30 8,4 4,4 0 0
12706 1 24,1 2 15,5 2,5 0
3402 33 7,50 10,5 3,8 2,8 0
9581 0 20 0 15,4 0 0
4720 42 8,00 35 0,4 0,4 0
9533 0 1 0 0 0,5 0
1391 1 0 0 0 0 0
12602 0 60 10,7 7,5 1,8 0
2986 0,5 0 0 0 0 0
Tabla 5. Distancia máxima recorrida (m) por evento para clase diamétrica.
Tres Arroyos
El Toro
Q(l/s)/ Clase diam
0 a 5
5 a 7,5 7,5 a 10 10 a 20 20 a 30 >
30
Q(ls-1)/ Clase diam
0 a 5
5 a 7,5 7,5 a 10 10 a 20 20 a 30 >
30
1183 4 2 2 1 0 0
14648 1 10 1 14 4 0
600 0 0 0 0 0 0
3456 0 0 0 0 0 0
747 0 0 0 0 0 0
2372 0 0 0 0 0 0
1664 2 2 2 0 0 0
2428 1 3 0 1 0 0
1898 2 0 2 2 0 0
1510 0 0 0 0 0 0
2729 2 4 4 4 0 0
9533 0 7 1 8 0 0
2956 1 2 3 4 0 0
12706 1 8 1 9 1 0
3402 2 2 4 3 1 0
9581 - 5 0 5 0 0
4720 2 3 3 2 1 0
9533 - 1 0 2 1 0
1391 1 0 0 0 0 0
12602 - 2 0 7 1 0
2986 1 0 0 0 0 0
Tabla 6. Numero de piedras trasladadas por evento para cada clase diamétrica.
27
En la tabla 5 y 6 se puede observar que en Tres Arroyos la máxima distancia recorrida fue
producida por un caudal de 4720 (l/s) que movió el 73 % de las piedras marcadas. Este
caudal es mayor al caudal bankfull. Con respecto al movimiento marginal, según las tablas
analizadas se alcanzaría para caudales inferiores a 747 (l/s) en Tres Arroyos, que
corresponde a un 19 % del caudal bankfull.
En El Toro la máxima distancia recorrida fue generada por un caudal de 14648 (l/s), el cual
logró mover el 100% de las piedras marcadas. Este caudal es un poco mayor al caudal
bankfull. Con respecto al movimiento marginal, este se alcanzaría para caudales inferiores
a 3456 (l/s), que corresponde a un 25,8% del caudal bankfull.
Además, se observa que durante algunas crecidas, piedras de menor clase granulométrica
quedaron en su sitio, lo que podría deberse a que fueron protegidas por piedras más
grandes en su cercanía (hiding effect).
28
4.4 Movilidad material leñoso.
4.4.1 Características de elementos movilizados.
La tabla 7 resume la información obtenida en las salidas a terreno que se efectuaron a las
dos cuencas en estudio, Tres Arroyos y El Toro. En ella se puede observar porcentaje de
piezas movilizadas respecto a la posición inicial registrada, rango de dimensiones
características de los LW, largo y diámetro, rango y promedio de distancias recorridas.
Movilidad
Tres Arroyos El Toro
2013 2013
09.01.2013 27.11.2012
05.12.2013 15.01.2014
330 días 414 días
Nº piezas movilizadas 5 3
Piezas movilizadas (%) 1,03 2,21
Rango y promedio diámetro piezas movilizadas (cm)
18-22 (20) 10-22 (18)
Rango y promedio largo piezas movilizadas (m)
1,1 - 12 (4,7) 5 -9,8 (7,1)
Rango y promedio distancia recorrida (m)
2,3-194 (67)
22 - 43 (29,5)
Altura Bankfull en la ubicación de la estación
de medición del agua (m) 0,5 1,2
Tabla 7. Resumen de movilidad de los LW para las cuencas estudiadas.
La movilidad es similar en ambas cuencas. Los bajos porcentajes de movilidad en ambos
cauces, se podría explicar por las escasas precipitaciones del periodo estudiado En el
estero Tres Arroyos se sobrepasó el nivel bankfull una sola vez, y en El Toro no se alcanzó
el nivel bankfull, por lo que las crecidas durante este estudio no fueron extraordinarias.
Según Iroumé et al. (2011) la movilidad de los LW se encuentra en general asociadas a
crecidas de gran magnitud.
29
En Tres Arroyos el 75 % de los elementos movilizados tienen una longitud menor al ancho
medio bankfull, y en El Toro el 100% cumple esta condición, Iroumé et al. (2011) encontró
valores similares en la cuenca Pichun y en Vuelta de Zorra.
En cuanto a las dimensiones características de los elementos movilizados, el diámetro
varía entre 18 cm y 22 cm, y el promedio tiene una diferencia de solo 2 cm si se comparan
ambas cuencas, siendo en Tres Arroyos de 20 cm y en El Toro de 18 cm. Al observar la
longitud de los elementos desplazados, estos varían entre 1,1 m y 12 m, y el mayor
promedio se observa en El Toro (ver tabla 7).
Las distancias recorridas de los elementos desplazados fluctúan entre los 2,3 m y 194 m y
el promedio es de 67 m en Tres Arroyos y 29,5 en El Toro. La mayor distancia recorrida
corresponde al elemento con la menor relación Largo/ancho de los dos cauces.
Existe otro canal más pequeño que entra en la corriente principal por el tramo 12 (Arroyo
Derrumbe), pero no tiene movilidad de los LW marcados por lo que no hace ningún aporte
de LW a Tres Arroyos.
La movilidad por tramo de cada segmento estudiado se observa en la figura 9.
Figura 9. Movilidad por tramo en el periodo de estudio para las dos cuencas.
En la figura anterior se puede ver que en Tres Arroyos el 60% de los elementos
movilizados en el periodo en estudio se concentran entre los tramos 9 y 11, el 40% se
reparte entre el tramo 3 y el 13. Las piezas movilizadas en estos tramos se caracterizan
por tener un menor largo adimensional en comparación con los de los otros tramos, y
0
1
2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
ele
men
tos
mo
viliz
ado
s
tramo
Movilidad por tramo Tres Arroyos (2013)
2013
0
1
2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
elem
ento
s m
ovi
lizad
os
tramo
Movilidad por tramo El Toro (2013)
2013
30
además según Ruz (2013) los tramos del 8 al 11 se caracterizan por tener un mayor
volumen de LW y un promedio de ancho bankfull (12,3 m) mayor a los tramos 1-7 (9,6 m)
y tramos 12-22 (9,1 m). El Toro muestra movilidad en los tramos 4, 9 y 10. Comparando
este resultado con otros estudios en esta misma cuenca, se puede concluir que la
movilidad de los LW se concentra entre los tramos 8 y 12, lo que se debería a que estos
tramos presentan una profundidad promedio superior a los otros tramos, la que según
Ruz (2013) es de 1,74 m, superior a los tramos 1-7 (1,58 m) y tramos 13-17 (1,69 m).
En la figura Nº 10 se puede observar la relación que existe entre la distancia recorrida por
los LW y el diámetro adimensional en cada cueca, además del análisis de los datos de
ambas cuencas.
Figura 10. Relación entre distancia recorrida y diámetro adimensional de las piezas movilizadas.
No se observa una similitud en las líneas de tendencia. En Tres Arroyos la función es de
tipo potencial creciente y en El Toro la función es de tipo potencial decreciente. Al graficar
y = 6087,3x3,7543 R² = 0,0506
0
40
80
120
160
200
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
Dis
tan
cia
reco
rrid
a (m
)
Diámetro LW / altura Bk
Tres Arroyos 2013
y = 4,0472x-0,88 R² = 0,9583
0
40
80
120
160
200
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
Dis
tan
cia
reco
rrid
a (m
)
Diámetro LW / altura Bk
El Toro 2013
y = 6,0236x-0,663 R² = 0,031
0
40
80
120
160
200
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
Dis
tan
cia
reco
rrid
a (m
)
Diámetro LW / altura Bk
Cuencas en Estudio
31
los datos de las dos cuencas se genera una función de tipo potencial decreciente, lo que
indicaría una relación indirecta entre la distancia recorrida y el diámetro adimensional.
La relación que existe entre la distancia recorrida de los LW desplazados y su largo
adimensional se puede observar en la figura 11.
Figura 11. Relación entre la distancia recorrida y el largo adimensional de las piezas movilizadas.
Se observan líneas de tendencia de tipo potencial decrecientes en ambos cauces, en Tres
Arroyos el R2 es del 87 %, mientras que en El Toro es más bajo llegando a un 69 %. Al
analizar ambas cuencas a la vez, se observa la misma tendencia decreciente representada
por una función potencial decreciente. Este comportamiento indica que a menor relación
del largo adimensional (Largo LW/ancho cauce), mayor es la distancia recorrida de los LW.
La relación que existe entre la longitud adimensional recorrida por los LW (recorrido/
diámetro del elemento) y el largo adimensional se muestra en la figura 12.
y = 1,5935x-1,824 R² = 0,8663
0
40
80
120
160
200
0,0 0,3 0,6 0,9 1,2
Dis
tan
cia
reco
rrid
a (m
)
Largo LW / ancho cauce
Tres Arroyos 2013
y = 14,491x-1,112 R² = 0,6891
0
40
80
120
160
200
0,0 0,3 0,6 0,9 1,2D
ista
nci
a re
corr
ida
(m)
Largo LW / ancho cauce
El Toro 2013
y = 5,4268x-1,354 R² = 0,5659
0
40
80
120
160
200
0,0 0,3 0,6 0,9 1,2
Dis
tan
cia
reco
rrid
a (m
)
Largo LW / ancho cauce
Cuencas en Estudio
32
Figura 12. Relación entre recorrido/diámetro y largo adimensional.
En Tres Arroyos se observa una línea de tendencia de tipo potencial decreciente, al igual
que en el rio El Toro, con R2 igual a 88 y 73 % respectivamente. En el gráfico que agrupa a
las dos cuencas, la línea de tendencia también es del tipo potencial decreciente con un R2
igual a 53 %. Se observa entonces que a mayor Largo adimensional del LW la posibilidad
de grandes recorridos disminuye.
En la figura 13, se muestra el comportamiento de los LW, relacionando la distancia
recorrida de cada elemento con su respectivo volumen.
y = 0,0802x-1,811 R² = 0,8766
0
2
4
6
8
10
0,0 0,3 0,6 0,9 1,2Rec
orr
ido
(m
) /
diá
m,e
tro
LW
(cm
)
Largo LW / ancho cauce
Tres Arroyos 2013
y = 0,3615x-2,559 R² = 0,7338
0
2
4
6
8
10
0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 R
eco
rrid
o (
m)
/ d
iám
etro
LW
(cm
)
Largo LW / ancho cauce
El Toro 2013
y = 0,2919x-1,347 R² = 0,5213
0
2
4
6
8
10
0,0 0,3 0,6 0,9 1,2Rec
orr
ido
(m
) /
diá
m,e
tro
LW
(cm
)
Largo LW / ancho cauce
Cuencas en Estudio
33
Figura 13. Relación entre distancia recorrida y volumen movilizado de los LW.
Se observa la misma tendencia en los dos cauces estudiados. En Tres Arroyos y El Toro la
línea de tendencia es del tipo potencial decreciente, lo que indica que a mayor volumen
del LW, menor es la distancia recorrida por los elementos. Al analizar ambas cuencas la
línea de tendencia también es de tipo potencial decreciente.
y = 0,2656x-1,725 R² = 0,7617
0
40
80
120
160
200
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Dis
tan
cia
reco
rrid
a (m
)
Volumen movilizado (m3)
Tres Arroyos 2013
y = 16,12x-0,298 R² = 0,9365
0
40
80
120
160
200
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Dis
tan
cia
reco
rrid
a (m
)
Volumen movilizado (m3)
El Toro 2013
y = 2,6222x-0,951 R² = 0,4211
0
40
80
120
160
200
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Dis
tan
cia
reco
rrid
a (m
)
Volumen movilizado (m3)
Cuencas en Estudio
34
4.4.2 Crecidas para cada cuenca en el periodo de estudio.
En la Tabla 8 se resume la cantidad de crecidas, condición del periodo, el Rango Máximo y
Promedio de las crecidas superiores al nivel bankfull y la movilidad de material leñoso en
las dos cuencas en estudio.
Cuenca Año CRECIDAS MOVILIDAD
condición h > Bk
Rango
Max.
sobre Bk
Rango
Prom.
sobre Bk
hmax/hBk
(para hmax ≤
hBk)
Mov Max
(m)
MovProm
(m) % Mov
Tres Arroyos 2013 2 1 1,100 1,100 - 193,9 67,0 1,03
El Toro 2013 1 0 - - 0,968 43,0 29,5 2,21
Tabla 8. Crecidas y movilidad
Tres Arroyos se encuentran en la condición 2, mientras que El Toro se encuentra en la
condición 1. Como se observa en la tabla 6, el porcentaje de movilidad es muy bajo en las
dos cuencas estudiadas, y esto se debería a que la altura del agua superó por muy poco el
nivel bankfull en Tres Arroyos (10 % mayor), siendo entonces una crecida normal. En El
Toro no se superó dicha altura. En Tres Arroyos se evidencia un mayor movimiento de las
piezas y un mayor promedio de movilidad con respecto a El Toro.
35
Capítulo V: CONCLUSIONES.
El caudal de inicio de arrastre de sedimento obtenido a través del método de las piedras
con transponedor resulto ser de 391 l s-1 para Tres Arroyos y de 1746 l s-1 para El Toro,
que corresponden al 11 % y 13% del caudal de nivel de bankfull, respectivamente. Se
evidenció que el caudal bankfull es capaz de movilizar el 91 % de las partículas en el Tres
Arroyos, y el 86 % de las partículas en el rio El Toro.
El caudal crítico unitario de inicio de arrastre de movimiento determinado por la fórmula
de Rickenmann (1990) fue de 0,15 m3s-1m-1 para Tres Arroyos, mientras que el
determinado por la ecuación de Bathurst (1987) fue de 0,66 m3s-1m-1 para El Toro. Estas
estimaciones sobreestiman en 4 y 5 veces el valor obtenido de los muestreos de campo
para las cuencas, pero son las que presentan una mejor aproximación en comparación con
modelos desarrollados por otros autores.
La movilidad de material leñoso fue muy baja en ambos cauces, 1 % en Tres Arroyos y 2 %
en el Toro, lo que se explica debido a que el periodo estudiado fue de bajas
precipitaciones que generaron crecidas normales. Con respecto a las dimensiones de los
LW, se observó que el 67 % y el 100 % de los elementos movilizados tenían un largo
menor al ancho medio bankfull, en Tres Arroyos y El Toro, respectivamente. La pieza de
madera con menor relación largo/ancho cauce fue la que recorrió la mayor distancia, lo
que confirma que la movilidad ocurre principalmente cuando los elementos tienen un
largo menor al ancho de bankfull del cauce, lo que concuerda con otros estudios.
36
Capítulo VI: BIBLIOGRAFIA.
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