Flujo de Acarreo en Cauces de Montaña: Aspectos Físicos e Hidrológicos

Transcripción

1 Flujo de Acarreo en Cauces de Montaña: Aspectos Físicos e Hidrológicos Constantino Domínguez Sánchez, Facultad de Ingeniería Civil Introducción La hidráulica torrencial estudia el flujo en cauces de montaña caracterizados por canales estrechos y de gran pendiente, que hacen que el flujo líquido y másico así como sus interacciones tengan grandes diferencias respecto al comportamiento que tienen los cursos fluviales en las planicies. El estudio de la mecánica del flujo, estructura y comportamiento de los torrentes es en la actualidad de gran importancia debido a la peligrosidad que tienen sobre las personas y sus propiedades las crecidas. Tales eventos suelen estar acompañados de procesos de transporte de sedimentos, en donde el material transportado consiste de lodos, gravas, piedras y troncos que en un corto periodo de tiempo pueden destruir y sepultar lo que encuentran a su paso. En nuestro País el tema de los flujos de acarreos en cauces de montaña comienza a desarrollarse debido a los recientes sucesos ocurridos en algunos estados del sureste lo cual ha despertado el interés de investigadores e instituciones gubernamentales con la finalidad de vislumbrar soluciones que permitan prevenir y evitar las tragedias ocasionadas por tales eventos. Figura 1. Vista de un flujo de acarreos En los siguientes párrafos se tratarán los aspectos físicos e hidrológicos a tener en cuenta en el comportamiento del flujo en los cauces torrenciales. Así como las posibilidades de predicción de esos flujos a partir de eventos hidrológicos tales como la precipitación.

2 Geomorfología de cauces de montaña Los cauces de montaña también llamados torrentes se caracterizan por discurrir por valles estrechos y poseer una cuenca de aportación reducida; su caudal no suele ser constante, e incluso existen periodos (estiaje) en los que este es nulo. De esta manera, una tormenta que se produzca en este tipo de cuencas puede provocar una crecida de consideración que aparece de forma repentina y que dura poco tiempo. Sus pendientes son irregulares y elevadas, los procesos de erosión y arrastre también lo son. Formación de un torrente La formación de un torrente se puede considerar como un efecto del trabajo realizado por el agua; si lo observamos, nos daremos cuenta con relativa facilidad que por lo reducido del espacio y del corto tiempo en el que se producen los cambios morfológicos en él, las leyes que rigen su formación, son más complejas y difíciles de deducir que si se considera un gran curso fluvial de dilatada cuenca y en el que los procesos de erosión transporte y sedimentación exigen largos periodos de tiempo para ser aparentes. En la figura 2, si suponemos que ABF es el perfil longitudinal de una montaña, las aguas procedentes de las precipitaciones escurrirán por ella, pero debido a las irregularidades preexistentes (pequeñas ondulaciones) o bien a ligeras variaciones de la intensidad de lluvia no se formará una sabana uniforme de flujo, sino que tenderá a reunirse en hilillos de agua primero, en arroyuelos después que más tarde terminaran por juntarse en alguna ondulación importante. Indudablemente la mayor masa de agua y la mayor velocidad se tendrán en el punto F, que supondremos fijo; es aquí donde comienza la erosión produciendo un perfil erosionado BCF, más o menos grande según haya sido la intensidad y duración de la lluvia. Cuando se produzca otro aguacero, la erosión aumentará y el torrente en formación tomará un nuevo perfil B C F y así sucesivamente. El punto F es lo que se denomina el punto fijo. Figura 2. Etapas en el tiempo de la formación de un torrente

3 Mientras que la pendiente de la ladera se mantenga, o bien aumente, la forma del torrente continuará siendo un barranco estrecho y profundo; pero si la ladera disminuye su pendiente o termina en una meseta a partir del último perfil ABF representado en la Figura 3 en que todavía conservaba la forma de barranco profundo y estrecho, empezará a ensancharse por los lados y se formará una especie de embudo, cuya salida es el punto A. En las laderas de este embudo se formarán a su vez barrancos que tendrán a A por punto fijo y que seguirán el mismo proceso, ensanchando el embudo y formando la cuenca de recepción del torrente. Si la meseta esta dominada por material rocoso el último perfil será el B AF, y si ahora los detritus formados por la acción de los agentes atmosféricos sobre la roca caen a la cuenca de recepción, quedando según CE, cuando se produzca una avenida suficientemente alta, serán arrastrados para buscar salida por el punto A. Todos los materiales, bien provengan de la cuenca o del derrubio de la roca, saldrán por el punto A, y recorriendo el barranco AF, irán a depositarse en la llanura, según las líneas FD, FD, etc. Cuya pendiente depende del tamaño y clase de materiales que van llegando y de la extracción de la cuenca por cuanto esta determina el caudal líquido. Figura 3. Proceso de ensanchamiento de un torrente Partes constitutivas de un torrente En los torrentes pueden distinguirse tres partes bien diferenciadas: la cuenca de recepción, la garganta y el lecho de deyección, representados esquemáticamente por AC, AB y BD en la figura 4 respectivamente, una cuarta parte empieza en el punto D, y es lo que llamaremos canal de desagüe y que no siempre aparece. Cuenca de recepción La cuenca de recepción, parte ACF en la figura 4, es la región más alta del torrente, de allí proviene la casi totalidad del caudal líquido y una gran parte de los materiales de arrastre. Suele tener la forma de embudo, con sus laderas surcadas por barrancas de elevada pendiente, lo cual es causa de que el agua se reúna rápidamente en el punto A.

4 Garganta La garganta es el canal por donde marchan hacia el llano el caudal sólido y líquido, suele estar muy encajado entre abruptas márgenes. Se localiza aguas abajo y a no mucha distancia del punto A. En esta parte la pendiente suele ser extremadamente irregular y la velocidad del flujo alcanza valores considerables. Los materiales que se encuentran en la garganta normalmente son de gran variedad de tamaños, unos proceden de la cuenca de recepción y quedaron ahí al decrecer la última avenida y otros provienen de las orillas por inestabilidad de las laderas y del arrastre de fondo en el lecho del torrente. Todos ellos serán arrastrados en la primera crecida de importancia y sustituidos por otros. El fenómeno preponderante en la garganta es el transporte de sólidos. Lecho de deyección En la terminación de la garganta, cuando el torrente desemboca en la llanura, empieza el lecho de deyección. En él quedan depositados los arrastres sólidos, formándose un cono aluvial echado sobre la llanura en una de sus caras laterales y con su base contra la montaña, su vértice es el final del lecho de deyección. Las aguas corren por un canal que ocupa la parte superior, dándose así el caso de una corriente de agua que marcha por una divisoria. En muchas ocasiones la separación entre la garganta y el lecho de deyección no es muy clara. Resulta frecuente que, con alguna crecida, los materiales empiecen a depositarse al final de la garganta, mientras que otros son arrastrados más adelante. En función de donde acabe el cono con respecto del cauce del que es tributario el torrente, puede que el cono sea truncado si el río donde desemboca el torrente pasa lo suficientemente cerca del final de la garganta. En caso contrario el cono es completo, e incluso puede mediar una cierta distancia entre su vértice y el río, el torrente tiene entonces una cuarta parte. Figura 4. Esquema de las partes de un torrente

5 Canal de desagüe En este tramo el agua ha quedado libre de acarreos, ya que todos se han depositado en el lecho de deyección, el torrente tiende a encajarse, fluyendo en régimen subcrítico hasta el río. Tipos de flujo en cauces torrenciales Tras las investigaciones desarrolladas por Mizuyama (1981), Takahashi (1991) y Ashida et al. (1986). Se estableció el gráfico de la figura 5, en el cual se establece el tipo de flujo que puede aparecer en función de la pendiente del cauce y del parámetro adimensional q *. En este gráfico se destaca lo correspondiente a los dominios V y VI, para el primero de estos las partículas se mueven en una capa que es mayor a su diámetro, convirtiéndose en una mezcla junto al agua. En tanto que para el segundo se caracteriza por la introducción rápida y abrupta desde aguas arriba de una descarga de agua apareciendo una mezcla de agua y sedimento que viaja hacia aguas abajo. El sedimento se dispersa en todo el tirante y se le denomina Flujo de acarreos. Dentro de este domino existen variaciones y aparecen el flujo de acarreos pedregosos y el flujo turbulento de barros para valores de q * < 10 3 y q * > 10 4 respectivamente. Evidentemente en los torrentes, los flujos más peligrosos son los que aparecen en los dominios V y VI y debido a que su mecánica y ecuaciones constitutivas son diferentes de los otros dominios. Figura 5. Identificación del flujo de acarreos en cauces torrenciales obtenidos por Mizuyama (M), Bathurst (B), Gilbert (G), Takahashi (T) y Ashida (A)

6 Influencia de la Lluvia en la Predicción y Aparición del Flujo de Acarreos La predicción del flujo de acarreos es compleja, diversos investigadores en China y Japón, han encaminado sus esfuerzos en intentar determinar las variables hidrológicas que potencian la aparición de estos procesos que resultan tan devastadores para las personas y sus propiedades. Chen (1985), analizó datos de más de 100 tormentas y sus resultados en cuanto a la aparición del flujo de acarreos en la quebrada de Jiangjia. Los resultados que obtuvo pueden observarse en la gráfica de la figura 6, en donde la ordenada representa la intensidad de lluvia para 10 minutos (I 10 ), o la máxima precipitación en 10 minutos. La abscisa representa un factor de precipitación acumulada en los últimos 20 días (P a ) y que puede obtenerse con la siguiente ecuación: P a = P o +0.8P P P n P n Donde: P o es la precipitación justamente antes de la intensidad de 10 minutos I 10 P n es la precipitación de los n-días antes del día I 10. De la gráfica se observa que el flujo de acarreos ocurre cuando se cumple que: I 10 + P a > 62 mm Evidentemente este método de predicción dependerá de la tasa de infiltración de la cuenca que es función de las características geológicas y de los usos del suelo que aparezcan. Figura 6. Predicción del flujo de acarreos a partir de la intensidad de lluvia

7 Conclusiones De lo expuesto en párrafos anteriores podemos destacar la importancia del conocimiento de las características físicas e hidrológicas de los cauces de montaña lo cual nos permite predecir la presencia de flujos de acarreo de forma simple y con apenas pocos datos. Esto nos sirve como primera aproximación para vislumbrar soluciones en este tipo de problemas.