14.5: Desviaciones de la Condición de Igualdad de Movilidad

Se necesita alguna perspectiva en este punto. Se ha visto, a partir de la discusión de los diversos conjuntos de datos presentados en los apartados anteriores, que aunque los umbrales y las tasas de transporte de los sedimentos de tamaño mixto muestran un acercamiento mucho más cercano a la condición de movilidad igual que a la condición de independencia de gradación, queda una desviación de la condición de igual movilidad tal que en general las fracciones más gruesas son algo más difíciles de transportar que las fracciones más finas; es decir, los efectos combinados de ocultar-refugio y enrollabilidad son insuficientes para contrarrestar completamente el efecto del peso de las partículas.

El abordaje incompleto de la condición de igualdad de movilidad conduce a dos conceptos relacionados: arrastre selectivo y transporte parcial. El término arrastre selectivo se refiere a las diferencias en los umbrales de movimiento entre las diversas fracciones de tamaño, forma y densidad de un sedimento que consiste en una mezcla de tamaños de partículas, formas y densidades. El énfasis aquí está en el arrastre selectivo de tamaño, aunque el arrastre selectivo de densidad es una de las claves para el desarrollo de placers. Gran parte del trabajo sobre arrastre selectivo se debe a Komar (1987a, 1987b, 1989).

Un concepto relacionado con el arrastre selectivo es el de transporte parcial: para un rango de esfuerzos cortantes del lecho por encima de la condición de no movimiento de partículas, una fracción de tamaño dada puede comprender dos poblaciones:

1. Partículas que son movidas, ocasionalmente, por el flujo; y
2. Partículas que nunca son movidas por el flujo, y permanecen inmóviles en el lecho (Wilcock y McArdell, 1993, 1997).

El dominio de transporte parcial se encuentra entre el rango de esfuerzos cortantes del lecho para el cual no hay movimiento de ninguna de las partículas de la fracción de tamaño dada, por un lado, y el rango de mayor esfuerzo cortante del lecho para el cual todas las partículas de la fracción de tamaño dada son movidas por el flujo a la vez o otro. En general, los límites inferior y superior de este rango difieren de la fracción de tamaño a la fracción de tamaño. Un corolario es que, cuando se consideran todas las fracciones de tamaño, el dominio de transporte parcial se extiende desde el límite superior de la tensión de cizallamiento del lecho para el cual no se mueven partículas de ninguna fracción de tamaño por el flujo, por un lado, y el límite inferior de la tensión de cizallamiento del lecho para el que al menos algunas de las partículas de todas las fracciones de tamaño se mueven en un momento u otro, por otro lado.

¿Cuál es la relación entre el transporte parcial y las tarifas de transporte fraccional? La comprensión de esa cuestión proviene de experimentos de flujo en transporte parcial realizados por Wilcock y McArdell (1993, 1997). El sedimento fue mezcla unimodal pero mal clasificada con la característica distintiva de que todas las partículas de cada una de las fracciones de tamaño se pintaron de un color diferente, para facilitar las observaciones de inmovilidad de partículas y movimiento de partículas en el lecho sedimentario. Las observaciones del transporte parcial, así como las tasas de transporte de fracciones, se realizaron en varias series sobre un rango de esfuerzo cortante del lecho que incluyó entre corchetes el dominio de transporte parcial como se describió anteriormente.

La figura\(\PageIndex{1}\), una gráfica de la tasa de transporte fraccionario contra el tamaño de partícula, muestra la relación entre el transporte parcial y las tasas de transporte fraccional para cada una de las cinco series. En\(\PageIndex{1}\) la Figura el valor limitante de la proporción activa de partículas en cada fracción de tamaño, después de un largo tiempo de funcionamiento, se denota por\(Y_{i}\). Cada punto de datos en la Figura\(\PageIndex{1}\) representa una fracción de tamaño dada en una determinada de las cinco series. La proporción de las partículas de la fracción dada que son móviles aumenta de inferior derecha a superior izquierda para cada curva.

Figura\(\PageIndex{1}\): Gráfica de la tasa de transporte fraccional\(q_{bi}/F_{i}\) (donde\(F_{i}\) está la proporción de la fracción de tamaño i en la superficie del lecho) frente al tamaño de partícula. El esfuerzo cortante del lecho varía desde los valores más bajos (diamantes sólidos) hasta los valores más altos (cuadrados sólidos). Los grandes círculos abiertos representan el mayor tamaño de partícula completamente movilizado en cada serie. (De Wilcock y McArdell, 1993.)

La característica distintiva de la gráfica en la Figura\(\PageIndex{1}\) es que las curvas para la tasa de transporte fraccional se aplanan hasta casi horizontalidad (una condición que se aproxima a la movilidad igual) a medida que aumenta la fuerza del flujo En otras palabras, las desviaciones de la movilidad igual son grandes dentro del dominio del transporte parcial pero se vuelven pequeñas para las tensiones de cizallamiento del lecho por encima del dominio del transporte parcial.

Más información sobre fórmulas de descarga de sedimentos: modelos basados en subsuperficies versus modelos basados en superficie

Todas las fórmulas de descarga de sedimentos, incluidas las descritas brevemente en el Capítulo 13, hacen uso, de una forma u otra, del tamaño del sedimento, generalmente el tamaño mediano. Algunos de estos enfoques han intentado tratar los sedimentos de tamaño mixto introduciendo una “función de ocultación” que tiene en cuenta el efecto ocultamiento, pero incluso esos deben basarse en una distribución de tamaño particular del sedimento.

Surge entonces la pregunta: ¿qué distribución de tamaños se debe utilizar? ¿El del sedimento en el sustrato, o el de la superficie del lecho, que realmente ve el flujo? Este último parecería ser la opción más natural. Como se ha visto, en sedimentos de tamaño mixto, especialmente aquellos con fracciones tanto de arena como de grava, la superficie del lecho sedimentario tiende a pavimentarse con un sedimento que es, en promedio, más grueso que el sedimento sustrato. El problema es que la distribución del tamaño de la superficie es en sí misma una función del flujo. Además, solo en experimentos de flujo de laboratorio cuidadosamente diseñados es posible observar la distribución del tamaño de la superficie, y solo unos pocos estudios han logrado hacerlo. Hasta ahora, solo se han desarrollado unos pocos modelos de transporte basados en la distribución del tamaño de superficie y no en la distribución del sustrato (Proffitt y Sutherland, 1983; Parker, 1990; Wilcock y Crowe, 2003).

Capítulo 14 Referencias citadas

Day, T.J., 1980, Un estudio del transporte de arroyos graduados: Wallingford, Reino Unido, Estación de Investigación Hidráulica, Informe IT 190.

Dhamotharan, S., Wood, A, and Parker, G., 1980, Bedload transport in a model gravilla stream: University of Minnesota, St. Anthony Falls Hydraulics Laboratory, Project Report 190.

Milhous, R.T., 1973, Transporte de sedimentos en un arroyo con fondo de grava: tesis de doctorado, Universidad Estatal de Oregón, Corvallis, Oregón.

Misri, R.L., Garde, R.J., y Ranga Raju, K.G., 1984, Transporte de carga en lecho de sedimento grueso no uniforme: Sociedad Americana de Ingenieros Civiles, Proceedings, Journal of the Hydraulics Division, v. 110, p. 312-328.

Parker, G., 1990, Relación de transporte de carga de lecho basado en superficie para ríos de grava: Journal of Hydraulic Engineering, v. 28, p. 417-436

Parker, G., y Klingeman, P.C., 1982, Sobre por qué se pavimentan los arroyos de lecho de grava: Water Resources Research, v. 18, p. 1409-1423.

Parker, G., Dhamotharan, S., y Stefan, S, 1982a, Experimentos modelo en arroyos de lecho de grava pavimentados móviles: Water Resources Research, v. 18, p. 1395-1408.

Parker, G., Klingeman, P.C., y McLean, D.L., 1982b, Distribución de lecho y tamaño en arroyos de grava pavimentada: American Society of Civil Engineers, Proceedings, Journal of the Hydraulics Division, v. 108, p. 544-571.

Proffitt, G.T., y Sutherland, A.J., 1983, Transporte de sedimentos no uniformes: Journal of Hydraulic Research, v. 21, p. 33-43.

Wilcock, P.R., 1987, Transporte de carga en cama de sedimentos de tamaño mixto: tesis de doctorado, Instituto Tecnológico de Massachusetts, Cambridge, Massachusetts.

Wilcock, P.R., y Crowe, J.C., 2003, Modelo de transporte basado en superficie para sedimentos de tamaño mixto: Journal of Hydraulic Engineering, v. 129, p. 120-128.

Wilcock, P.R., y McArdell, B.W., 1993, Tasas de transporte fraccional basado en superficie: Umbrales de movilización y transporte de partículas de un sedimento de arena-grava: Water Resources Research, v. 29, p. 1297-1312.

Wilcock, P.R., y McArdell, B.W., 1997, Transporte parcial de un sedimento de arena/grava: Water Resources Research, v. 33, p. 235-245.

Wilcock, P.R., y Southard, J.B., 1988, Estudio experimental del movimiento incipiente en sedimentos de tamaño mixto: Water Resources Research, v. 24, p. 1137-1151

Wilcock, P.R., y Southard, J.B., 1989, Transporte de carga en lecho de sedimentos de tamaño mixto: tasas de transporte fraccionario, formas de lecho y desarrollo de una capa superficial de lecho grueso: Water Resources Research, v. 25, p. 1629-1641.