Recursos Hidrulicos. Produccin de Sedimentos. Mtodos para la Medicin y EstimacinProduccin de Sedimentos

Para todo profesional involucrado en la ciencia de la erosin y la sedimentacin es imprescindible ser capaz de medir (o estimar) las tasas de erosin en un sitio dado. Esto es debido a tres razones fundamentales: (1) inventarios de erosin (usos de la tierra), (2) investigacin y (3) desarrollo y evaluacin de mtodos en control de erosin. La erosin/sedimentacin puede ser medida bajo distintas escalas, segn las condiciones en que se encuentre el profesional (topografa, accesibilidad, tiempo y, sobre todo, recursos) y los niveles de precisin deseados. Si consideramos la prdida de suelo por la accin exclusiva del agua, podemos estimar la erosin ocurrida a nivel de sedimentos (alta precisin), por ejemplo la cantidad de sedimentos desprendidos y transportados por la erosin de impacto. Tambin es posible realizar mediciones de la erosin a nivel de ladera (erosin laminar, en riles y crcavas). Por otro lado, podemos estimar la erosin neta ocurrida a nivel de cuenca hidrogrfica. En otras palabras, podemos medir variables como prdida de suelo o acumulacin de sedimentos. Como el lector se habr percatado, mientras ms extensa es el rea de influencia, menor es la precisin obtenida, pues los procesos erosivos estn sujetos a cambios en las tasas de transporte y depositacin de sedimentos. En cuanto a las escalas temporales, podemos estimar la erosin ocurrida en algunos segundos, en una tormenta, as como en temporadas enteras, aos, dcadas o siglos.La erosin puede ser medida en terreno o bajo condiciones ambientales controladas (laboratorio), dependiendo del objetivo de la medicin y los recursos disponibles. Para determinar las tasas de prdida de suelo en un sitio dado, se deben adems medir los factores en las tasas de erosin, se debern establecer parcelas cuya nica variable distinta sea la vegetacin, manteniendo condiciones constantes en trminos de tipo de suelo, pendiente, precipitacin, etc. De este modo, se asla solamente la variable de inters (vegetacin) y se determinan las influencias de dicho factor en las tasas de erosin medidas. El mismo principio se utiliza en la determinacin de la efectividad de algn mtodo de control de erosin. Sin embargo, las mediciones estn siempre sujetas a error. Por esta razn, no basta con una sola medicin, sino que se deben establecer varias parcelas y mediciones, para as determinar las tasas de erosin considerando la variacin existente. De este modo, para cada tratamiento (en este caso, la cobertura vegetal) se establecen parcelas de muestreo, cuyo nmero de rplicas va a depender de la precisin deseada y los recursos que se dispongan. Replicar el mismo experimento varias veces, utilizando slo una parcela para cada tratamiento no es recomendable, debido a la decreciente disponibilidad de sedimentos cada vez que se ejecuta una medicin, a menos que se mantenga una consistencia entre tratamientos. Como sea, es fundamental basar las conclusiones en trminos de la variabilidad de los promedios de erosin obtenidos. Por lo general, los profesionales encargados de la realizacin de experimentos relacionados con la erosin se preguntan acerca del nmero de datos suficientes para la obtencin de resultados confiables. La cantidad de datos a colectar depende netamente de la variabilidad de stos, el nivel de precisin esperado, los recursos disponibles y la escala temporal especificada en el estudio.

2. Diseos ExperimentalesPor lo general, los experimentos se realizan para determinar las influencias de alguna variable en las tasas de erosin, manteniendo constantes los dems factores influyentes en los procesos erosivos. Por ejemplo, si se desea determinar la influencia de la cobertura vegetal en las tasas de erosin, se debern establecer parcelas cuya nica variable distinta sea la vegetacin, manteniendo condiciones constantes en trminos de tipo de suelo, pendiente, precipitacin, etc. De este modo, se asla solamente la variable de inters (vegetacin) y se determinan las influencias de dicho factor en las tasas de erosin medidas. El mismo principio se utiliza en la determinacin de la efectividad de algn mtodo de control de erosin. Sin embargo, las mediciones estn siempre sujetas a error. Por esta razn, no basta con una sola medicin, sino que se deben establecer varias parcelas y mediciones, para as determinar las tasas de erosin considerando la variacin existente. De este modo, para cada tratamiento (en este caso, la cobertura vegetal) se establecen parcelas de muestreo, cuyo nmero de rplicas va a depender de la precisin deseada y los recursos que se dispongan. Replicar el mismo experimento varias veces, utilizando slo una parcela para cada tratamiento no es recomendable, debido a la decreciente disponibilidad de sedimentos cada vez que se ejecuta una medicin, a menos que se mantenga una consistencia entre tratamientos. Como sea, es fundamental basar las conclusiones en trminos de la variabilidad de los promedios de erosin obtenidos. 3. Mtodos de Estimacin de la Erosin3.1. Medicin de la erosin de impactoLa erosin de impacto, como proceso erosivo aislado, puede estimarse de muchas formas (Morgan, 2005). Entre las ms utilizadas se encuentra el embudo de impacto, un embudo cuya circunferencia mayor se ubica al nivel de la superficie del suelo (Figura 1). El embudo drena en un recipiente tanto precipitacin directa como partculas de suelo desprendidas por el impacto de las gotas de lluvia, provenientes de sectores aledaos al embudo. Al trmino de la tormenta se colecta el recipiente y se seca, determinndose la depositacin de sedimentos en un rea dada, para despus llevar los datos a la hectrea.

Otros investigadores han estimado la erosin de impacto mediante la instalacin de papeles de peso conocido, dispuestos en orientacin perpendicular a la superficie del suelo. Los sedimentos desprendidos impactan las caras del papel, permaneciendo adheridos a stas.Una vez finalizada la tormenta, se seca el papel y se pesa. La diferencia entre el peso inicial del papel y el peso del papel con sedimentos representa la erosin de impacto ocurrida.3.2. Medicin de la erosin laminar.i. Parcelas de erosinLas parcelas de erosin se utilizan como reas permanentes de monitoreo, para estudiar los factores que afectan la erosin (Morgan, 2005) o bien cuando se desea demostrar algn hecho conocido, como ensearle a comunidades locales cunto ayuda la vegetacin en la disminucin de la erosin (Hudson, 1993). Cada parcela es un rea fsicamente aislada del resto de la tierra, con dimensiones de ancho y largo predeterminadas, as como pendiente, tipo de suelo y vegetacin conocidos. Para cada parcela se mide la escorrenta y el suelo perdido, as como la precipitacin en el rea de estudio. El nmero de parcelas es, por lo general, de dos o ms rplicas por tratamiento.Las barreras fsicas que determinan las dimensiones de las parcelas deben sobrepasar la superficie del suelo en, al menos, 15 centmetros, siendo stas enterradas bajo la superficie para evitar traspaso subterrneo de flujos de agua. Dichas barreras pueden ser de madera, metal o cualquier material impermeable y duradero (Morgan, 2005).La escorrenta superficial producida dentro de los lmites de la parcela es almacenada en un estanque. Sin embargo, para escorrentas de mayor envergadura se utilizan dos estanques, uno para depositar los sedimentos ms pesados y otro para almacenar el agua restante (Figura 2). Las dimensiones de dichos estanques varan de acuerdo a la escala temporal de medicin y el clima del rea en estudio. Una vez finalizado el perodo de estudio, se calcula la cantidad de sedimentos acumulados en trminos de peso (*), valor que se lleva a la hectrea (por ejemplo, Mg/ha) relacionndolo con la superficie de la parcela. Adems, se mide el agua acumulada, variable que se relaciona con el agua cada para obtener la relacin precipitacin/caudal correspondiente a cada tratamiento.Para determinar el peso total de suelo acumulado en el tanque, se toman muestras de sedimento en un volumen conocido, para luego secarlas y determinar el promedio de suelo (peso) en un volumen dado (recipiente de muestreo), determinando as el peso total a travs de la multiplicacin de dicho peso por el volumen total de suelo colectado.Lo ms efectivo en trminos de precisin y costos es colectar datos a nivel de tormenta.As, se requerirn estanques de menores dimensiones, lo que se traduce en menores costos de instalacin y vaciado. Ntese adems que los estanques deben estar protegidos de la precipitacin directa (Figura 2).Las parcelas de erosin constituyen uno de los mtodos ms utilizados en estudios focalizados en los efectos de distintas variables y prcticas de manejo de la tierra en la prdida de suelo. Tpicamente se utilizan dimensiones especficas (22 metros de largo y 1.8 metros de ancho), representando una centsima parte de un acre, para as poder comparar los resultados obtenidos con otros estudios. Sin embargo, cualquier dimensin es vlida, mientras se mantenga constante entre tratamientos y rplicas. Por otro lado, es comn la aplicacin artificial de la precipitacin, mediante el uso de simuladores de lluvia, sobre todo en climas de lluvias convectivas, en donde las variaciones espaciales de precipitacin son altas

Es importante recalcar que la erosin obtenida en las parcelas de muestreo NO representa la erosin real del rea en que dicha parcela se encuentra, pues la presencia de una barrera superior excluye la erosin laminar y en riles producida por el escurrimiento superficial proveniente de zonas localizadas ladera arriba de la parcela. Sin embargo, puesto que todas las parcelas cuentan con esta exclusin, la comparacin entre tratamientos es perfectamente vlida.Especial cuidado debe tenerse en todas las etapas de los estudios basados en parcelas de erosin. Entre los problemas ms comunes se pueden mencionar los siguientes (Morgan, 2005): rebalse de los estanques colectores, estanques mal tapados, animales en busca de agua o caudal ingresando al tanque tras el rebalse del foso en que ste se encuentra.ii. Colectores de GeralchGeralch (1966) implement un mtodo alternativo para medir la erosin laminar y la escorrenta superficial en laderas. El mtodo consiste en la instalacin de colectores, en los cuales se almacena la escorrenta superficial proveniente de alguna seccin de la ladera.Posteriormente, se traspasa el sedimento y el caudal colectados en recipientes, los cuales se pesarn y secarn para la determinacin de tasas de erosin, de acuerdo al rea de contribucin del colector de Geralch especfico. Sin embargo, es comn expresar la erosin en trminos de unidad de longitud.De este modo, se instalan colectores en distintas secciones de la ladera, considerando cierto nmero de rplicas. Pese a que el colector de Geralch original consista en un contenedor de dimensiones 50x10x20 cm, con una botella recolectora localizada ladera abajo, una modificacin bastante atractiva es ilustrada en la Figura 3, en la que un sub-colector es posicionado dentro de la caja externa. De este modo, se extrae slo la caja interna para colectar el sedimento almacenado en sta, facilitando el transporte y manipulacin de ste.

Al igual que en las parcelas de erosin, es muy factible utilizar colectores de Geralch para determinar la efectividad de distintos tratamientos frente a la erosin. La gran ventaja de este sistema es su bajo costo. Adems, el mtodo considera el escurrimiento superficial proveniente de sectores ms altos en la pendiente, asemejndose ms a la realidad, en comparacin a las parcelas de erosin. Por otro lado, la desventaja de este mtodo es la dificultad de estimar el rea de contribucin, pues los lmites no estn claramente identificados.Adems, los contenedores no poseen grandes dimensiones, por lo que existe un riesgo de rebalse considerable.Como ya se mencion, otra opcin es simplemente conectar una manguera entre el contenedor y una botella, localizada pendiente abajo. Este mtodo facilita el traslado de los sedimentos desde el rea de estudio al laboratorio de secado, aunque se corre el riesgo de que la botella se rebalse o que los sedimentos contenidos en la manguera o tubo obstruyan el flujo. Para evitar esto, el ducto debe instalarse con inclinaciones que permitan altas velocidades de flujo, as como botellas relativamente grandes, dependiendo de la erodabilidad del suelo y la frecuencia de coleccin. No debe olvidarse que una vez llenado el contenedor, el experimento no tiene validez alguna.iii. Mallas de limoSegn la experiencia, medir la erosin en laderas es, por lo general, costoso e implica mucho tiempo (Robichaud y Brown, 2002). Sin embargo, una metodologa barata y rpida es la instalacin de mallas de limo, hechas de material geotextil (Dissmeyer, 1982). Bsicamente, la malla se instala en orientacin paralela a las curvas de nivel, disponiendo los extremos pendiente arriba, para que la escorrenta superficial no tenga otra opcin ms que infiltrarse a travs de la malla, como se ilustra en la Figura 4.

Como regla general, la longitud del perodo de medicin est en funcin de la erosin esperada (principalmente de la cobertura vegetal y las caractersticas de la pendiente). Si se trata de un proyecto de erosin post-fuego, basta una tormenta como para llenar la trampa con sedimentos. Como es de suponerse, si la trampa se rebalsa el estudio no tiene validez.Por esta razn, hay quienes instalan ms de una malla, dispuestas en forma paralela unas con otras, con el fin de atrapar los sedimentos en caso que stos se rebalsen.Una vez completado el perodo de estudio, se debe estimar el volumen de sedimento acumulado en la trampa, tomando algunas muestras en recipientes de volumen conocido, para luego secarlas y estimar valores totales de suelo perdido. Si se cuenta con el rea de contribucin, es posible definir tasas de erosin en trminos de Mg/ha.iv. DendrocronologaLa erosin laminar es un proceso usualmente lento (a escala humana), el cual no podemos notar ms que con el contraste entre objetos y el nivel topogrfico. En este sentido, los dendrocronlogos a menudo correlacionan la posicin y ocurrencia de antiguas races arbreas con las tasas de erosin laminar. Las races de los rboles slo crecen bajo tierra, por lo que la presencia de fustes con races expuestas es una indicacin de que el suelo se encontraba a un nivel topogrfico superior al actual (Figura 5)

v. Clavos de erosin (erosion pins)Siguiendo el mismo principio de la dendrocronologa, la manera ms simple de medir los cambios de nivel en la superficie del suelo es utilizando clavos de erosin (Figura 6), los cuales consisten en clavos de unos 20 cm de largo, con una golilla soldada en su cabeza (Garca-Chevesich, 2005). La metodologa consiste en la instalacin del clavo en forma perpendicular a la superficie del suelo, quedando sta al mismo nivel que la golilla. Una vez transcurrido el perodo de medicin (tormenta o lluvias invernales), se mide la distancia entre la golilla y la nueva superficie del suelo, la cual representa la prdida de suelo neta producida en un tiempo dado.

Puesto que una medicin no es suficiente, se debe cubrir la totalidad del rea en estudio, mediante el establecimiento aleatorio-sistemtico de clavos de erosin. Adems, se deben tomar muestras de suelo con el fin de determinar la densidad de ste. Una vez obtenida una altura promedio de suelo perdido y considerando el rea en cuestin, se determina un volumen de suelo erosionado. Mediante el producto entre dicho volumen y la densidad del suelo, se obtiene la tasa de erosin neta. Al dividir dicha tasa por el nmero de hectreas se obtiene la tasa de erosin por unidad de rea y tiempo (por ejemplo,Mg/ha-ao). Como todo experimento enfocado a la erosin, se debe considerar la variabilidad de los datos obtenidos, para determinar diferencias espaciales, temporales o, si es el caso, entre tratamientos.Pese a la simplicidad del mtodo, existen algunos factores a considerar, como la dificultad de relocalizacin de los clavos cuando stos han sido cubiertos por hojarasca o sedimentos (depositacin) o simplemente porque es difcil localizar un pequeo clavo en una extensa rea. Para solucionar dicho problema se utilizan banderines o, incluso, detectores de metal (Garca-Chevesich, 2005). Adems, los clavos pueden ser fcilmente removidos por animales tanto domsticos como salvajes. Mediante el mismo principio, es posible estimar las tasas de erosin ocurridas, mediante la medicin de pedestales.

3.4. Medicin de la erosin y la sedimentacin a nivel de cuencas hidrogrficasBsicamente, existen dos mtodos para estimar la erosin y la sedimentacin a nivel de cuencas hidrogrficas: (1) estimando los sedimentos en suspensin para correlacionarlos con el caudal, y (2) midiendo la depositacin de sedimentos en sectores especficos.La sedimentacin producida en una cuenca, considerando la totalidad de los procesos de erosin y depositacin, est representada por la cantidad de sedimentos que abandonan el rea de drenaje a travs de su ro principal, en un perodo de tiempo dado. El rea de una cuenca est dada por la boca o punto del ro central en que se decide va a ser el lmite ms bajo de la unidad geogrfica. Para estimar la erosin de una cuenca, se deben establecer ciertas relaciones entre caudal (Q) y concentracin de sedimentos (C), la cual es generalmente de la forma expresada en la Ecuacin 3, para formar una curva caudal/sedimento. La exactitud de este mtodo depende en gran medida de la frecuencia del muestreo. La mayora de los estudio se basan en la toma de muestras de caudal en recipientes de volumen y peso conocidos, para luego llevarlos al horno y secarlos. Posteriormente, se determina la concentracin de sedimentos por unidad de volumen de caudal (por ejemplo gr/l). No obstante, es importante recordar que para cada ocasin se deben tomar al menos diez muestras, pues la variabilidad en los procesos erosivos es, como ya se mencion, bastante alta.Por otro lado, tambin es comn estimar tasas netas de erosin en cuencas por medio de la acumulacin de sedimentos en sectores donde la velocidad del caudal disminuye a tal punto que ocurre depositacin. Dichos sectores pueden ser determinados en forma natural (lagos, sectores planos de los cursos de agua, etc.) o artificial (represas, embalses, diques etc.). Para este propsito es fundamental conocer los niveles topogrficos de los sedimentos depositados antes y despus del perodo de tiempo en estudio. Adems, es importante realizar las mediciones en los mismos puntos, pues la variabilidad espacial es un factor que debe omitirse.Para estimar la sedimentacin en un canal especfico, se deben establecer transectos de medicin, en los cuales se determinar, cada cierto intervalo, la distancia entre el fondo del canal y la superficie de sedimentos, as como la distancia entre dicha superficie y la lnea imaginaria que une ambos extremos del transepto transectos (Figura 9). Posteriormente, al finalizar el perodo de tiempo determinado para el estudio, se estima la acumulacin de sedimentos en los mismos puntos de medicin anterior. De este modo, se determina un rea para cada transepto transectos, la cual se multiplica por la distancia entre estos, para determinar un volumen de sedimentos acumulados en el fondo del canal. Adems, se debe estimar la densidad de los sedimentos en cuestin, mediante un muestreo aleatorio, determinando su variabilidad.

Pese a lo anteriormente expuesto, se debe tomar en cuenta que cerca del 90% del peso total de los sedimentos transportados en un curso de agua viajan en forma de suspensin, por lo que si nos centramos slo en el material que se arrastra, solamente estaremos estimando una porcin de la erosin total. Sin embargo, la mayora de los estudios de modelacin en erosin se enfoca en el transporte de material de arrastre.3.7. Modelacin de la erosinLas tcnicas descritas en las secciones anteriores permiten determinar tasas de erosin bajo distintas condiciones de vegetacin, topografa, tipo de suelo, prcticas de manejo de la tierra, etc. Mediante el anlisis de dichos datos es posible generar ecuaciones con el fin de predecir la erosin a futuro, determinar las mejores prcticas de manejo o seleccionar el mtodo ms conveniente para controlar la prdida de suelo. De este modo, se selecciona un rea de estudio y se toman los datos correspondientes al caso, en los que se incluye no solo la erosin y sedimentacin, sino que tambin los dems factores que afectan la erosin.Posteriormente, se desarrollan ecuaciones multivariantes y se determina la mejor relacin entre los factores que afectan la erosin y la cantidad estimada de suelo perdido. Si las predicciones son lo suficientemente exactas, el modelo puede utilizarse en otros sitios que cuenten con condiciones similares (Morgan, 2005).Por definicin, los modelos son representaciones simplificadas de la realidad.Dependiendo de la exactitud deseada, los modelos pueden ser muy simples o muy complejos.Adems, existen modelos que predicen la erosin producida en una tormenta, en un mes, en un ao, etc., lo cual dificulta an ms la ecuacin final. Del mismo modo, la prediccin puede provenir de unos centmetros cuadrados, un cultivo, una ladera o una cuenca. Dichos factores temporales y espaciales son cruciales al momento de seleccionar los procesos que debern ser incluidos en el modelo y el tipo de datos a recolectar (Morgan, 2005).Todo profesional o cientfico que decida implementar un modelo de erosin debe especificar los requerimientos de diseo antes de comenzar. De este modo, los usuarios podrn ver qu procesos se incluyen, para luego tomar decisiones sobre la eleccin del modelo ms adecuado a utilizar para el cumplimiento de sus objetivos (Morgan, 2005).Uno de los modelos ms simples en la ciencia de la erosin es la relacin entre la concentracin de sedimentos y el caudal, vista con anterioridad, la cual se expresa en la forma siguiente (Morgan, 2005):C = Qb Donde C es la concentracin de sedimentos en peso por unidad de volumen (usualmente gr/cm3) y Q es el caudal (m3/s), siendo a y b parmetros, los cuales no siempre son fciles de determinar. Esto se debe a que la relacin entre C y Q puede variar estacionalmente, dependiendo de lo lluvioso que fue el ao anterior. Si el invierno fue lluvioso, se espera ms cobertura vegetal en la cuenca, por lo que se producir menos erosin, lo que se traduce en una menor concentracin de sedimentos para un mismo caudal producido en aos anteriores.

Sin embargo, para ese mismo caudal, pero subsiguiendo un ao seco, la concentracin de sedimentos esperada ser bastante mayor. Por otro lado, la variacin entre tormentas tambin es alta, sin mencionar los efectos de las actividades humanas en los procesos erosivos.Existe un sinnmero de modelos desarrollados para distintos tipos de procesos erosivos, los cuales pueden descargarse gratuitamente de Internet. Cada modelo es cuidadosamente explicado, por lo que detallar cada uno de ellos en este texto sera innecesario. Entre los ms conocidos y mundialmente utilizados se encuentran los siguientes (Morgan, 2005): Ecuacin universal de prdida de suelos (USLE) Ecuacin universal de prdida de suelos revisada (RUSLE) Proyecto de prediccin en la erosin hdrica (WEPP) Estimador de prdida de suelo para frica del Sur (SLEMSA) Modelo de Morgan, Morgan y Finney (MMF) Ecuacin de prediccin de la erosin elica (WEPE) Sistema erosin-sedimentacin de la Universidad de Griffith (GUESS) Modelo de erosin europeo (EUROSEM)

PARA EXPOSICION EN CLASES.ULTIMA EVALUACION DE RECURSOS HIDRAULICOS.A EVALUAR: CONTENIDOPRESENTACION. INGENIO Y CREATIVIDADAPLICACIN DE EJEMPLOS A LA SITUACION ACTUAL.

Produccin de sedimentos a nivel de cuencas. Definicin. Efectos de la produccin de sedimentos. Factores que afectan la produccin de sedimentos. Mtodos para estimar de la produccin de sedimentos. Mtodos directos. Mtodos indirectos. Mtodos empricos. Modelos de simulacin. Aplicacin de Sistemas de Informacin Geogrfica. Aplicacin de modelos de simulacin para la estimar la produccin de sedimentos.

Sedimentacin de embalses. Eficiencia de retencin de un embalse. Mtodos de clculo. Peso especfico de los sedimentos depositados. Deposicin de sedimentos en el embalse. Medicin de los sedimentos en el embalse.