Competencia de flujo

Concepto en hidrología

Río Imnaha , Área Recreativa Nacional Hells Canyon, Oregón, ejemplo de competencia fluvial.

En hidrología, la competencia fluvial, también conocida como competencia de corriente, es una medida del tamaño máximo de partículas que una corriente puede transportar . ^[1] Las partículas están formadas por tamaños de grano que van de grandes a pequeños e incluyen cantos rodados , rocas, guijarros , arena , limo y arcilla . Estas partículas forman la carga del lecho de la corriente. La competencia fluvial se simplificó originalmente mediante la "ley de la sexta potencia", que establece que la masa de una partícula que se puede mover es proporcional a la velocidad del río elevada a la sexta potencia. Esto se refiere a la velocidad del lecho de la corriente, que es difícil de medir o estimar debido a los muchos factores que causan ligeras variaciones en las velocidades de la corriente. ^[2]

La capacidad de un río , si bien está vinculada a la competencia del río a través de la velocidad, es la cantidad total de sedimentos que un río puede transportar. La cantidad total incluye cargas disueltas, suspendidas, de saltación y de lecho. ^[3]

El movimiento de sedimentos se denomina transporte de sedimentos . Para iniciar el movimiento intervienen masa, fuerza, fricción y tensión. La gravedad y la fricción son las dos fuerzas principales que intervienen cuando el agua fluye por un canal . La gravedad actúa sobre el agua para hacerla descender por la pendiente. La fricción ejercida sobre el agua por el lecho y las orillas del canal actúa para frenar el movimiento del agua. Cuando la fuerza de la gravedad es igual y opuesta a la fuerza de fricción, el agua fluye por el canal a una velocidad constante. Cuando la fuerza de la gravedad es mayor que la fuerza de fricción, el agua se acelera. ^[4]

Este transporte de sedimentos clasifica los tamaños de grano en función de la velocidad. A medida que aumenta la competencia del arroyo, el D 50 (tamaño de grano medio) del arroyo también aumenta y se puede utilizar para estimar la magnitud del flujo que iniciaría el transporte de partículas. ^[5] La competencia del arroyo tiende a disminuir en la dirección aguas abajo, ^[6] lo que significa que el D ₅₀ aumentará desde la desembocadura hasta la cabecera del arroyo.

Importancia de la velocidad

Potencia de transmisión

La potencia del caudal es la tasa de pérdida de energía potencial por unidad de longitud del canal. ^[7] Esta energía potencial se pierde al mover partículas a lo largo del lecho del caudal.

$${\displaystyle \Omega =\rho _{w}gQS}$$

donde es la potencia de la corriente, es la densidad del agua, es la aceleración gravitacional , es la pendiente del canal y es el caudal de la corriente. ${\displaystyle \Omega }$ ${\displaystyle \rho _{w}}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle Q}$

El caudal de una corriente, , es la velocidad de la corriente, , multiplicada por el área de la sección transversal , , del canal de la corriente en ese punto: ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle U}$ ${\displaystyle A_{\mathrm {CS} }}$

$${\displaystyle Q=UA_{\mathrm {CS} }}$$

donde es el caudal de la corriente, es la velocidad media de la corriente y es el área de la sección transversal de la corriente. ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle U}$ ${\displaystyle A_{\mathrm {CS} }}$

A medida que aumenta la velocidad, también aumenta la potencia de la corriente, y una mayor potencia de la corriente corresponde a una mayor capacidad para mover partículas de carga de fondo.

Esfuerzo cortante y esfuerzo cortante crítico

Para que se produzca el transporte de sedimentos en los canales de lecho de grava, la fuerza del flujo debe superar un umbral crítico, llamado umbral crítico de arrastre o umbral de movilidad. El flujo sobre la superficie de un canal y una llanura de inundación crea un campo de esfuerzo cortante límite . A medida que aumenta la descarga, el esfuerzo cortante aumenta por encima de un umbral y comienza el proceso de transporte de sedimentos. Una comparación de la fuerza del flujo disponible durante una descarga dada con la fuerza cortante crítica necesaria para movilizar el sedimento en el lecho del canal nos ayuda a predecir si es probable que se produzca o no el transporte de sedimentos y, en cierta medida, el tamaño del sedimento que es probable que se mueva. Aunque el transporte de sedimentos en los ríos naturales varía enormemente, se utilizan comúnmente aproximaciones relativamente simples basadas en experimentos simples en canales para predecir el transporte. ^[8] Otra forma de estimar la competencia de un arroyo es utilizar la siguiente ecuación para el esfuerzo cortante crítico, que es la cantidad de esfuerzo cortante necesario para mover una partícula de un cierto diámetro. ^[9] ${\displaystyle \tau _{c}}$

$${\displaystyle \tau _{c}=\tau _{c}^{\ast }(\rho _{s}-\rho _{w})gd_{50}}$$

dónde:

${\displaystyle \tau _{c}^{\ast }=}$Parámetro de escudos, un valor adimensional que describe la resistencia del lecho del río a la aceleración gravitacional, también descrita como rugosidad o fricción.

${\displaystyle \rho _{s}=}$Densidad de partícula, y es la densidad efectiva de la partícula cuando está sumergida en agua (principio de Arquímedes). ^[10] ${\displaystyle \rho _{s}-\rho _{w}}$

${\displaystyle g=}$Aceleración gravitacional.

${\displaystyle d_{50}=}$diámetro de grano, generalmente medido como d50, que es el diámetro de partícula medio cuando se muestrean los diámetros de partículas en un transecto de arroyo.

La tensión cortante de una corriente se representa mediante la siguiente ecuación:

$${\displaystyle \tau =\rho _{w}gDS}$$

dónde:

${\displaystyle D=}$profundidad media

${\displaystyle S=}$pendiente del arroyo.

Si combinamos las dos ecuaciones obtenemos:

$${\displaystyle \rho _{w}gDS=\tau _{c}^{\ast }(\rho _{s}-\rho _{w})gd_{50}}$$

Resolviendo el diámetro de partícula d obtenemos

$${\displaystyle d_{50}={\frac {\rho _{w}DS}{\tau _{c}^{\ast }(\rho _{s}-\rho _{w})}}}$$

La ecuación muestra que el diámetro de la partícula , es directamente proporcional tanto a la profundidad del agua como a la pendiente del lecho del arroyo (flujo y velocidad), e inversamente proporcional al parámetro de Shield y a la densidad efectiva de la partícula. ${\displaystyle d_{50}}$

Elevar

Las diferencias de velocidad entre la parte inferior y la superior de las partículas pueden provocar una elevación . Se permite que el agua fluya por encima de la partícula, pero no por debajo, lo que da como resultado una velocidad cero y distinta de cero en la parte inferior y superior de la partícula, respectivamente. La diferencia de velocidades da como resultado un gradiente de presión que imparte una fuerza de elevación sobre la partícula. Si esta fuerza es mayor que el peso de la partícula, comenzará el transporte. ^[11]

Turbulencia

Los flujos se caracterizan como laminares o turbulentos . Los fluidos de baja velocidad y alta viscosidad se asocian con el flujo laminar, mientras que los de alta velocidad y baja viscosidad se asocian con los flujos turbulentos. Los flujos turbulentos dan como resultado velocidades que varían tanto en magnitud como en dirección. Estos flujos erráticos ayudan a mantener las partículas suspendidas durante períodos de tiempo más prolongados. Se considera que la mayoría de los canales naturales tienen flujo turbulento. ^[7]

Otros factores influyentes

Curva de Hjulström

Cohesión

Otra propiedad importante que entra en juego cuando se habla de la competencia fluvial es la calidad intrínseca del material. En 1935, Filip Hjulström publicó su curva, que tiene en cuenta la cohesión de la arcilla y algunos limos. Este diagrama ilustra la competencia fluvial en función de la velocidad. ^[12]

Al observar el tamaño de las rocas, los guijarros, la arena, el limo y la arcilla en los arroyos y sus alrededores, se pueden entender las fuerzas que actúan dando forma al paisaje. En última instancia, estas fuerzas están determinadas por la cantidad de precipitación , la densidad de drenaje , la relación de relieve y el material parental del sedimento. ^[7] Dan forma a la profundidad y la pendiente del arroyo, la velocidad y el caudal, el canal y la llanura de inundación, y determinan la cantidad y el tipo de sedimento observado. Así es como el poder del agua se mueve y da forma al paisaje a través de la erosión , el transporte y la deposición, y se puede entender observando la competencia del arroyo.

Base

La competencia de un cauce no depende únicamente de la velocidad. El lecho rocoso del cauce influye en la competencia del cauce. Las diferencias en el lecho rocoso afectarán la pendiente general y los tamaños de las partículas en el cauce. Los cauces de los ríos que tienen un lecho rocoso de arenisca tienden a tener pendientes más pronunciadas y material de lecho más grande, mientras que los cauces de los ríos de esquisto y piedra caliza tienden a ser menos profundos y con un tamaño de grano más pequeño. ^[6] Las ligeras variaciones en el material subyacente afectarán las tasas de erosión, la cohesión y la composición del suelo.

Vegetación[13]

Se sabe que la vegetación tiene un impacto en el caudal de un río, pero su influencia es difícil de aislar. Una alteración del caudal dará lugar a velocidades más bajas, lo que conduce a una menor competencia del río. La vegetación tiene un efecto cuádruple en el caudal del río: resistencia al flujo, resistencia de las orillas, núcleo para la sedimentación de las barras y construcción y ruptura de atascos de troncos.

Resistencia al flujo

Método de Cowan para estimar el n de Manning .

$${\displaystyle n=(n_{0}+n_{1}+n_{2}+n_{3}+n_{4})m_{5}}$$

La n de Manning considera un factor de corrección de la vegetación. Incluso los cauces fluviales con mínima vegetación tendrán resistencia al flujo.

Fortaleza bancaria

La vegetación que crece en el lecho y el canal del río ayuda a retener los sedimentos y a reducir la erosión en el lecho del río. Una alta densidad de raíces dará como resultado un cauce del río reforzado.

Núcleo para sedimentación de barras

Interacción entre vegetación y sedimento. La vegetación que queda atrapada en medio de un arroyo interrumpirá el flujo y provocará sedimentación en los remolinos de baja velocidad resultantes . A medida que continúa la sedimentación, la isla crece y el flujo se ve afectado aún más.

Construcción y demolición de atascos de troncos

Interacción entre vegetación. La acumulación de vegetación que arrastran los arroyos acaba cortando por completo el flujo hacia los canales secundarios o principales de un arroyo. Cuando estos canales se cierran o se abren en caso de una ruptura , se alteran las características del flujo del arroyo.

Referencias

1. WILCOCK, DAVID N. (1971). "Investigación sobre las relaciones entre el transporte de sedimentos y la forma del canal". Boletín de la Sociedad Geológica de América . 82 (8): 2159. Bibcode :1971GSAB...82.2159W. doi :10.1130/0016-7606(1971)82[2159:iitrbb]2.0.co;2. ISSN  0016-7606.
2. Rubey, WW (1938). La fuerza necesaria para mover partículas en el lecho de un río (n.º 189-E). USGS.[1]
3. Cara, Karyth (30 de enero de 2014). "¿Cuáles son las diferencias entre la capacidad de un caudal y la competencia de un caudal? ¿Cómo se relaciona con la "carga suspendida"? . Consultado el 21 de abril de 2018 .
4. Leopold, LB, MG Wolman y JP Miller. (1964). Procesos fluviales en geomorfología . San Francisco: WH Freeman and Co. ISBN 0486685888.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
5. Whitaker, Andrew C.; Potts, Donald F. (julio de 2007). "Análisis de la competencia de flujo en un arroyo de lecho de grava aluvial, Dupuyer Creek, Montana". Investigación de recursos hídricos . 43 (7): W07433. Bibcode :2007WRR....43.7433W. doi :10.1029/2006wr005289. ISSN  0043-1397. S2CID  41201225.
6. Brush, Lucien M. (1961). Cuencas de drenaje, canales y características de flujo de arroyos seleccionados en el centro de Pensilvania. Oficina de Imprenta del Gobierno de los Estados Unidos.
7. R., Bierman, Paul (27 de diciembre de 2013). Conceptos clave en geomorfología . Montgomery, David R., 1961–, Universidad de Vermont, Universidad de Washington. Nueva York, NY. ISBN 9781429238601.OCLC 868029499  .{{cite book}}: CS1 maint: falta la ubicación del editor ( enlace ) CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
8. Shilling, F., S. Sommarstrom, R. Kattelmann, B. Washburn, J. Florsheim y R. Henly. (mayo de 2007). "California Watershed Assessment Manual: Volume II Chapter 3, mayo de 2007. Preparado para la California Resources Agency y la California Bay-Delta Authority" . Consultado el 21 de abril de 2018 .{{cite web}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
9. Knighton, D. (1998). Formas y procesos fluviales: una nueva perspectiva . Nueva York: Oxford University Press Inc. ISBN 0340663138.
10. Heath TL, Editor (1897). Las obras de Arquímedes . Cambridge: Cambridge University Press. pág. 258. ISBN 0486420841. {{cite book}}: |last=tiene nombre genérico ( ayuda )
11. J., Garde, R. (2000). Mecánica del transporte de sedimentos y problemas de corrientes aluviales . Ranga Raju, KG (3.ª ed.). Nueva Delhi: New Age International. ISBN 812241270X.OCLC 45845211  .{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
12. Hjulstrom, F. (1935). "Estudios de la actividad morfológica de los ríos, como se ilustra en el río Fyris". Boletín. Instituto Geológico de Upsalsa . 25 : 221–527.
13. Hickin, Edward J. (junio de 1984). "Vegetación y dinámica de los cauces fluviales". The Canadian Geographer . 28 (2): 111–126. Código Bibliográfico :1984CGeog..28..111H. doi :10.1111/j.1541-0064.1984.tb00779.x. ISSN  0008-3658.