10.2: El lecho, el flujo y la carga

El agregado de partículas de sedimento que son transportadas por un flujo en un momento dado se llama carga. Al principio, parece apropiado definir qué se entiende por lecho, flujo y carga del lecho (Figura\(\PageIndex{1}\)). (No estoy seguro de que las siguientes definiciones, intuitivas como me parecen, sean aprobadas por todos los especialistas en transporte de sedimentos.) El lecho comprende todas las partículas que en un momento dado están inmóviles y en contacto directo con el sustrato, y la carga comprende todas las partículas que están en movimiento en un flujo dado, estén o no en contacto con el lecho. Eso deja la definición menos segura del flujo: todo el material, fluido y sólido, que en un momento dado están en movimiento por encima del lecho.

Figura\(\PageIndex{1}\): El flujo, el lecho y la carga.

La carga se puede subdividir de dos maneras diferentes. Por un lado, la carga se puede dividir en carga de cama-material, que es aquella parte de la carga cuyos tamaños están representados en la cama, y carga de lavado, que es aquella parte de la carga cuyos tamaños no están presentes en la cama en porcentajes apreciables. La carga de lavado, que si está presente es siempre la fracción más fina de la carga, se transporta a través de un alcance del flujo sin ningún intercambio de sedimentos entre el lecho y el flujo. Por otro lado, la carga también se puede dividir en carga de lecho, que viaja en contacto directo con el lecho o tan cerca del lecho para no verse sustancialmente afectada por la turbulencia del fluido, y carga suspendida, que se mantiene en suspensión temporal por encima del lecho por la acción de remolinos turbulentos que se mueven hacia arriba. Espero que quede claro a partir de estas definiciones que la carga de la cama siempre es carga de material de cama, y es probable que la carga suspendida sea en parte carga de material de cama y parcialmente carga de lavado, aunque en casos particulares podría ser toda carga de lavado, o toda carga de material de cama. ¿Confundido? La figura\(\PageIndex{2}\) puede o no ser de ayuda.

Figura\(\PageIndex{2}\): Relaciones entre los diversos tipos de carga de sedimentos.

El movimiento de la carga de la cama a veces se llama tracción. El movimiento de carga de la cama puede ser rodando, deslizando o saltando. Palabras como esas tres no son del todo adecuadas para la tarea de describir la naturaleza del movimiento de carga de cama, sin embargo, porque las partículas en movimiento comúnmente participan de los tres “modos”, que varían en importancia de evento de movimiento a evento de movimiento, y de instante a instante durante un evento de movimiento. No es fácil observar el movimiento de la carga de la cama con gran detalle, pero cuando tienes la oportunidad de ver una película de primer plano de alta velocidad cuidadosamente hecha de la carga de la cama (en flujos donde la carga aún no es tan abundante como para oscurecer la vista) ves que las partículas característicamente realizan excursiones ocasionales aguas abajo, rodando y saltando irregularmente, para luego descansar por algún tiempo antes de ser trasladado nuevamente.

La forma de las partículas tiene una influencia sustancial en el modo de movimiento de carga de cama: las partículas en forma de disco tienen una tendencia mucho mayor a deslizarse o nivelarse, mientras que las partículas equantes o esferoidales tienen una tendencia mucho mayor a rodar o saltar. ¡Las partículas discoidales se pueden ver en algunas condiciones rodar como volteretas!

Claramente existe un problema al distinguir entre carga de lecho y carga suspendida: ¿hasta dónde puede una partícula subir al flujo y aún considerarse carga de lecho? El criterio estándar es si la turbulencia de fluidos tiene o no un efecto sustancial en el tiempo y la distancia involucrados en la excursión. Es importante tener en cuenta que no existe una ruptura brusca entre la carga del lecho y la carga suspendida: una partícula dada puede formar parte de la carga del lecho en un momento y parte de la carga suspendida en otro momento, y no moverse en absoluto en otro momento. La consecuencia de esto es que en un momento dado existe un solapamiento apreciable en las distribuciones de tamaño de la carga del lecho y la carga suspendida, aunque obviamente la carga suspendida tiende a ser más fina que la carga del lecho. Además, parece que no hay ruptura brusca, o discontinuidad de salto, en la concentración volumétrica de sedimento hacia arriba desde la capa de carga de lecho hacia la capa de carga suspendida (aunque las observaciones precisas no son fáciles de hacer). Eso es de esperar, porque en cierto sentido la capa de carga de cama actúa como la “condición límite inferior” para la concentración de carga suspendida; ver la sección posterior sobre suspensión.

Las proporciones relativas del material del lecho que se mueve como carga del lecho y como carga suspendida dependen de las características del material del lecho, especialmente de su tamaño, y de las condiciones de flujo. El material de lecho muy grueso en ríos (grava) generalmente se mueve como carga de lecho, mientras que las arenas finas a medianas se mueven predominantemente como carga suspendida. El modo de movimiento de los tamaños de arena más gruesa generalmente varía dependiendo de las condiciones hidráulicas: a bajas intensidades de flujo las fracciones de arena más gruesas se mueven predominantemente como carga de lecho, mientras que a altas intensidades de flujo se toman en suspensión. Incluso con la misma descarga promedio, la arena de un tamaño dado puede alternar entre la suspensión y la tracción, ya que es atrapada por remolinos potentes (por ejemplo, los remolinos de separación formados en los lados de sotajo de las formas de lecho principal) o regresa al lecho en partes menos turbulentas del flujo. La mayoría de los tamaños de arena no viajan en suspensión continua; el hecho mismo de que estos tamaños constituyan una parte importante del material del lecho en la mayoría de los ríos indica que se toman en suspensión solo de manera intermitente. Para distinguir este modo de transporte de la suspensión casi continua típica de la carga de lavado, que generalmente está compuesta por partículas más finas que la arena fina, podríamos llamar a la parte más gruesa de la carga suspendida la carga de suspensión intermitente.

La distinción entre carga de lecho y carga suspendida se puede hacer ya sea sobre una base práctica de observación o sobre una base más teórica con referencia a los mecanismos de soporte. Las definiciones prácticas, las dadas anteriormente, se basan en la observación de que la carga del lecho se lleva en contacto directo con el lecho o muy cerca del lecho mientras que la carga suspendida se transporta muy por encima del lecho. Cuantas más definiciones teóricas se basan en el concepto (¡no se aplica fácilmente, en la práctica!) que la carga suspendida es la parte de la carga que está soportada completamente por la turbulencia del fluido, y la carga del lecho es la parte de la carga que es soportada de una forma u otra por el propio lecho, no por la turbulencia del fluido. Las partículas de carga de cama que se mueven en contacto directo con el lecho son soportadas, al menos en parte, directamente por el lecho, si se deja fuera de cuenta la posible contribución de las fuerzas de elevación del fluido. Por esta definición, las partículas de carga de cama que temporalmente no están en contacto directo con el lecho están siguiendo una trayectoria que en gran medida no se ve afectada por la turbulencia del fluido, como consecuencia de haber separado el contacto con el lecho por una fuerza de fluido momentáneamente más fuerte (las partículas saltantes caen naturalmente en este categoría) o se mantienen en movimiento por encima del lecho, tal vez a una distancia de muchos diámetros de partícula, por colisiones con otras partículas que forman parte de una capa gruesa de carga de lecho a altas intensidades de flujo. Habrá más que decir sobre la existencia y naturaleza de estas últimas capas de carga de cama más adelante en este capítulo.

Finalmente, aquí hay algunas palabras sobre cómo se podría medir la concentración de sedimentos. Medir la concentración de sedimentos suspendidos es bastante sencillo: se podría imaginar capturar un volumen del flujo, en una botella de algún tipo de cierre rápido que no interrumpa mucho el flujo, y midiendo el volumen o masa de sedimento por unidad de volumen de la mezcla líquido-sólido. Siempre que el volumen medido sea pequeño en relación con la tasa espacial característica de cambio de la concentración “promedio” (por ejemplo, no querría que su muestra se integre en una gran fracción de la profundidad de flujo) pero lo suficientemente grande en relación con las variaciones a pequeña escala en la concentración de sedimentos relacionadas con los detalles de la estructura local de Foucault, su muestra debe proporcionar una medida representativa de la concentración de sedimentos promedio local. Medir la concentración de carga del lecho, sin embargo, es un asunto diferente. La capa de carga de cama es por su propia naturaleza delgada. La gente intenta medir la tasa de transporte de la carga de la cama (eso tampoco es un asunto trivial; ver el capítulo posterior sobre tarifas de transporte) pero normalmente no la concentración de carga en cama. Conceptualmente, sin embargo, es razonable pensar en una especie de “concentración de área” de carga del lecho: el volumen o masa de carga del lecho, por unidad de área de lecho y como promedio de tiempo, por encima de una pequeña área del lecho sedimentario. Pero no puedo aportar ninguna idea útil sobre cómo medir tal cantidad.