13.2: La carga de sedimentos y la tasa de transporte de sedimentos
- Page ID
- 88967
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
La carga de sedimentos
Primero se debe tener clara la distinción entre la carga de sedimentos y la tasa de transporte de sedimentos. Recordemos del Capítulo 10 que la carga es todo el sedimento que está siendo movido por el flujo en un momento dado. La figura\(\PageIndex{1}\) muestra cómo conceptualizar la carga de sedimentos. En Figura\(\PageIndex{1}\), se puede imaginar de alguna manera congelar un bloque del flujo que contiene tanto agua como sedimento particulado, y luego fundir el bloque para recoger el sedimento en el bloque. Ese sedimento es la carga. Se puede pensar en la carga de sedimentos como la masa de sedimento integrada en profundidad sobre una unidad de área del lecho de sedimentos:
\[L = \text{sediment load} = \int_{0}^{d} c(y) d y\]
donde\(c\) está la concentración local de sedimentos promedio en el tiempo. Entonces la concentración promedio de sedimento transportado,\(C\), es igual a\(L/d\).
Así como una revisión de lo que se dijo sobre la carga de sedimentos en el Capítulo 10, aquí hay algunos puntos o comentarios sobre la carga de sedimentos:
- No hay ruptura fundamental entre la carga de la cama y la carga suspendida.
- Para una partícula dada que es susceptible de suspensión en un flujo dado, la partícula en varios momentos podría estar viajando como carga de lecho o como carga suspendida, o podría estar temporalmente en reposo sobre la superficie del lecho o dentro de la capa activa.
- Los rangos de tamaño de partícula para la carga del lecho y la carga suspendida en un flujo dado se superponen.
- La carga de material de cama suspendida no está realmente “suspendida”; se trata simplemente de viajar, temporalmente, en el flujo turbulento sobre el lecho.
- La capa de carga de cama es delgada en relación con la capa de carga suspendida.
- La capa de carga de cama es la condición de límite inferior de la capa de carga suspendida.
- La concentración de sedimentos en la capa de carga de cama es normalmente mucho mayor que la de la capa de carga suspendida.
La tasa de transporte de sedimentos
La tasa de transporte de sedimentos se denota comúnmente por\(Q_{s}\). Lo que es más útil, sin embargo, y lo que es probable que encuentre si tiene que lidiar con el transporte de sedimentos, es la tasa de transporte de sedimentos por unidad de ancho del flujo. A eso se le llama tasa de transporte de sedimentos unitarios; a menudo se denota por\(q_{s}\). Piense en términos de un corte vertical del flujo, con ancho unitario y orientado paralelo al flujo. Lo que use depende de si está interesado en la cantidad de sedimentos que transporta todo el flujo\((Q_{s})\) o en la intensidad inherente del transporte de sedimentos\((q_{s})\).
A continuación se describen tres formas de conceptualizar la tasa de transporte de sedimentos. Cada una representa, en principio aunque no necesariamente en la práctica, una forma de medir la tasa de transporte de sedimentos.
La pantalla mágica: Obtener una pantalla mágica, la cual, cuando se instala a través del flujo, permite medir la masa\(m_{i}\) de cada una de las\(n\) partículas que pasan por la pantalla en unidad de tiempo (Figura\(\PageIndex{2}\)). Entonces
\[q_{s} = \dfrac{ \displaystyle \sum_{1}^{n} m_{i} } { \text{width of flow}}\]
La trampa mágica de succión al vacío: Instale una ranura, a través de todo el ancho del flujo, que le permita eliminar todas las partículas, tanto carga de lecho como carga suspendida, que pasan a través de la sección transversal del flujo por encima de la ranura (Figura\(\PageIndex{3}\)). Piensa en términos de una aspiradora mágica que succiona todas las partículas de sedimentos fuera del flujo y dentro de la trampa. (En la vida real, eso no sería extraordinariamente difícil para la carga de la cama sino prácticamente imposible para la carga suspendida). Supongamos que con ello se extrae una masa\(M\) de sedimento que habría sido transportada a través de la ubicación de la sección transversal en un intervalo de tiempo\(T\). Entonces la tasa de transporte de sedimentos unitarios\(q_{s}\) sería igual a\(M/T\) dividirse por el ancho del flujo.
Muestreo integrado en profundidad: (Figura\(\PageIndex{4}\)) A lo largo de una vertical en el flujo, medir el componente aguas abajo\(v_{i}\) de la velocidad de todas las partículas en un diminuto cubo imaginario en el flujo, con volumen\(V\), en un instante dado. Luego multiplicar\(v_{i}\) por la masa\(m_{i}\) de la partícula, y sumar sobre todas\(n\) las partículas encontradas. Divida el resultado por\(V\) para obtener la tasa de transporte por unidad de área, e integre el resultado sobre la profundidad de flujo en una travesía vertical. Eso te da\(q_{s}\) para esa posición de flujo cruzado en el flujo.
Es notoriamente difícil medir la tasa de transporte de sedimentos, incluso en entornos controlados en canales de laboratorio. En un canal, si solo se está transportando carga de lecho, se puede disponer una trampa de sedimentos en forma de una ranura estrecha que se extiende a través de todo el canal, transversal a la dirección del flujo. Siempre que el ancho de la trampa sea al menos tan grande como las excursiones más largas de partículas de carga de cama, toda la carga del lecho cae en la trampa, para ser recogida y pesada. Sin embargo, está en orden una advertencia: el tiempo de muestreo debe ser lo suficientemente corto como para que el déficit en el transporte no se propague, por recirculación del sedimento, de regreso a la trampa.
En una pequeña corriente se puede atrapar la carga del lecho que pasa construyendo una presa a través del flujo, y atrapar la carga en una canasta bajo el desborde a través de la presa. El problema es que al construir la presa está cambiando la naturaleza del arroyo y su transporte de sedimentos por cierta distancia aguas arriba de la presa.
Se han ideado varios tipos de trampas portátiles para carga de cama y son de uso común. Generalmente consisten en un receptáculo que está abierto al flujo en el lado aguas arriba y tamizado para pasar el agua, pero captura el sedimento, en el lado aguas abajo. Se colocan en el lecho sedimentario durante un tiempo suficiente para capturar una cantidad medible de la carga del lecho que pasa. No importa cuán bien diseñadas, sin embargo, tales trampas distorsionan el flujo en su vecindad en cierta medida, y también, si hay formas de lecho rugoso como ondulación o dunas en el lecho, entonces la captura depende fuertemente de dónde se coloque la trampa en relación con las crestas y canales de las formas de lecho.
Medir la carga suspendida es una cuestión más sencilla, al menos en principio. Lo que comúnmente se hace es atrapar un volumen de flujo de paso, que contiene la carga suspendida a esa altura particular por encima del lecho, y combinarlo con la velocidad de flujo media en el nivel dado para obtener la proporción de la tasa de transporte de sedimentos completa asociada a un intervalo estrecho de la profundidad de flujo. Si eso se hace a un gran número de alturas por encima de la cama, el resultado combinado es una buena medida de la tasa de transporte de carga suspendida. (Esto es similar al procedimiento descrito en la sección sobre muestreo integrado en profundidad, anterior).
¿Cuál es la relación entre la carga de sedimentos y la tasa de transporte de sedimentos?
Aquí hay una pregunta para que reflexiones. Mira hacia atrás en Figura\(\PageIndex{1}\) y piensa en la distribución del tamaño de partícula que encontrarías en el montón de sedimentos que obtuviste fundiendo ese bloque instantáneamente congelado del flujo. Ahora mira hacia atrás en Figura\(\PageIndex{3}\) y piensa en la distribución del tamaño de partícula que mediría en el montón de sedimentos que obtuvo al aspirar mágicamente todo el sedimento que pasa por la ubicación de la trampa de ranura. ¿Esas dos distribuciones de tamaño serían iguales o diferentes?
Sólo un momento de reflexión debería convencerte de que las dos distribuciones serían las mismas si y sólo si las velocidades de transporte de cada una de las fracciones de tamaño de partícula en el sedimento son las mismas. Si no son lo mismo— y en general no son lo mismo, porque, al menos en cierta medida (lo veremos con más detalle en el Capítulo 3), las fracciones más gruesas tienden a moverse más lentamente que las fracciones más finas, entonces las distribuciones del tamaño de partícula serán diferentes en los dos casos. Eso resalta la diferencia fundamental entre la carga de sedimentos y la tasa de transporte de sedimentos.