REFERENCIA DE PUBLICACIÓN: Gabriel Kaless (2015) Alteración en la dinámica de los sedimentos en el Río Chubut aguas abajo de la presa Florentino Ameghino. Cuaderno de Ingeniería Civil Orientación Hidráulica. Centro de Documentación del Departamento de Ingeniería Civil Orientación Hidráulica – Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco. ISSN 1853-8479 Vol. 2 Nº 1.
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ALTERACIÓN EN LA DINÁMICA DE LOS SEDIMENTOS EN EL RÍO CHUBUT AGUAS ABAJO DE LA PRESA FLORENTINO AMEGHINO Gabriel Kaless Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco Av. 9 de Julio 25, Trelew, Chubut, Argentina – Tel/Fax +54(0) 280-4428403 e-mail:
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RESUMEN El Río Chubut ha experimentado cambios morfológicos notables luego de la construcción de la presa Florentino Ameghino. En la sección de aforo “Puente Gaiman” se ha observado el estrechamiento del cauce, la elevación del nivel del fondo con las consecuentes repercusiones en la relación entre niveles de agua y caudales. Estos cambios morfológicos han reducido la capacidad hidráulica del cauce aumentando el riesgo de desborde en el VIRCH. El atrofiamiento del cauce se debe a una combinación de factores: a) reducción en la capacidad de transporte producto del cambio en el régimen de caudales, b) aporte de sedimentos desde las cuencas laterales ubicadas entre la presa y el paraje de Boca Toma. En el presente estudio se han analizado las fuentes históricas sobre mediciones de transporte de sedimentos en suspensión, se han analizado los cambios en la capacidad de transporte empleando fórmulas empíricas y se ha evaluado el aporte de sedimentos desde las cuencas torrenciales mediante modelos de pérdida de suelos y transferencia de sedimentos. Palabras Claves: transporte de sedimentos, pérdida de suelos, cambios morfológicos. ABSTRACT The Chubut River has experienced relevant morphological changes after the construction of the Florentino Ameghino Dam. The channel has narrowed and bed bottom has arisen at the cross section located in Gaiman Bridge, affecting the relation between discharges and water stages. The morphological changes have reduced the hydraulic conveyance of the channel raising the inundation risk in the VIRCH. The reduction in the channel cross section is due to a combination of factors, such us: a) the reduction in the transport capacity of sediments due to a change in the discharge regimen, b) sediment supply from the basins located between the dam and the Boca Toma cross section. In this study historical documents have been analyzed considering data on sediment transport measurements, the change in transport capacity has been assessed employing empirical transport models, and sediment supply has been analyzed using soil loss and sediment delivery models. Key words: sediment transport, soil loss, morphological changes.
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INTRODUCCIÓN Los cursos llamados “aluviales” reciben este nombre porque el material que constituye el cauce (el “aluvión”) ha sido transportado por la misma corriente, es decir, la corriente de agua ha transportado sedimentos que luego conforman y dan forma al cauce por donde escurre. Distinguimos, entonces, tres aspectos: la forma del cauce, el transporte de sedimentos y el flujo de agua. Estos tres elementos están íntimamente relacionados y son los responsables de la dinámica fluvial. Cuando se produce una alteración en alguno de ellos inmediatamente se modificarán los otros dos. El caso del Río Chubut en el Valle inferior del Río Chubut (VIRCH) es un ejemplo paradigmático. En el año 1963 se inauguró la Presa Florentino Ameghino, en la Provincia del Chubut, ubicada a 143 km al oeste de la ciudad capitalina de Rawson, siguiendo la Ruta Nacional Nº 25 (HASA, 2005). Cinco años después se puso en marcha la central y de este modo los caudales, que hasta ese momento venían determinados por la naturaleza a través de lluvias y deshielos en la cuenca, pasaron a estar controlados por el hombre de acuerdo a tres objetivos: a) evitar las inundaciones en el VIRCH; b) almacenar agua en el embalse para ser usada durante el periodo estival para riego; c) generar energía eléctrica para el desarrollo de la región. Tanto las grandes crecidas, que hasta ese momento aquejaron a los pobladores del valle, como la vista panorámica de un cauce seco en los veranos, pasaron a formar parte de una historia superada (Figuras 1 y 2). Sin embargo, la represa no sólo modificó el régimen de escurrimiento de las aguas en el VIRCH sino que también alteró la dinámica de los sedimentos en el río. El embalse Florentino Ameghino, con una superficie de 7400 ha, funciona como una gran pileta decantadora que retiene el material que transporta el Río Chubut. Surgen dos preguntas: ¿Cuánto tiempo transcurrirá hasta que se colmate el embalse? Y ¿qué efectos produce aguas abajo del embalse la privación de sedimentos de la corriente de agua? En el año 1945 el Ing. Antonio Pronsato asumió la dirección de la Compañía de Riego del VIRCH e inició una extensa campaña de mediciones de caudales y transporte de sedimentos con el fin de responder a la primera pregunta. El informe fue publicado posteriormente en la revista “Agua y Energía” (ver Pronsato 1950a, 1950b y 1950c) exponiéndose la abundante información y mediciones efectuadas: características de la cuenca hidrográfica, registros de niveles hidrométricos en Puente Gaiman en el periodo 1934-1946, variaciones de niveles en el lecho en “Los Altares” (estación de aforo ubicada aguas arriba del actual embalse) y en Puente Gaiman, registros de aforos, registro de mediciones del transporte sólido, etc. Esta información nos permitió realizar un análisis de los cambios morfológicos que se produjeron en el cauce del Río Chubut para la sección de Puente Gaiman, ubicada aguas abajo de la presa, y la alteración en el régimen de caudales (Kaless et al. 2008). La comparación arrojó como resultado que el cauce del río ha sufrido un notable atrofiamiento reduciéndose drásticamente su capacidad para transportar los caudales de las crecidas y aumentando, consecuentemente, el riesgo de inundación en el VIRCH (más adelante se expone un resumen del estudio, ver también el estudio realizado por Serra et al. 2005). La disminución en la capacidad de conducción era ya evidente en la década de los ochenta (Vives y Perez, 1981) y desde entonces ha habido un trabajo técnico importante para proyectar obras estructurales (Proinsa, 1994; Serra et al. 1996, más recientemente DGOH, 2006a y CFI, 2009) y medidas no estructurales como planes de emergencias y redes de alerta (Ruiz y Pongolini, 2002), habiéndose realizado en el año 1997 el dragado del cauce en el tramo comprendido entre la ciudad de Trelew y la desembocadura. El presente estudio tiene como objetivo estudiar el tercer elemento de la dinámica fluvial, el transporte de sedimentos, y así completar el trabajo iniciado hace cinco años. Para cumplimentar este objetivo he considerado pertinente confrontar las mediciones de transporte 3
de sedimentos en Gaiman documentadas por Pronsato, con la estimación de la capacidad de conducción actual de material en suspensión (material de fondo) y el aporte de sedimentos finos desde los cuencos aluvionales (carga de lavado).
Figura 1. Imagen de la inundación del VIRCH y rotura de un terraplén, tomada por A. Pronsato durante su permanencia en la zona, en el periodo 1944-1946 (Fuente Pronsato, 1950c).
Figura 2. Vista del puente en la localidad de Gaiman durante el estiaje del año 1944, donde se aprecia el fondo del cauce. Esta situación es extraña en la actualidad debido al cambio en el régimen de caudales (Fuente, Pronsato, 1950c)
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Características de la cuenca El Río Chubut tiene sus nacientes en el extremo occidental de la Provincia de Río Negro, y luego de atravesar la Provincia del Chubut desemboca en el Océano Atlántico, en proximidades a la ciudad de Rawson. La cuenca en estudio es más acotada, se extiende desde la desembocadura hasta el emplazamiento de la presa Florentino Ameghino, distante 190 km al oeste (Figura 3). La cuenca puede dividirse en tres grandes sectores con características fisiográficas homogéneas. En el extremo occidental se ubica una serie de cuencas torrenciales que abarcan una superficie de 92.402 ha y aportan caudales líquidos y sólidos al río durante tormentas de corta duración. Las cuencas se ubican sobre ambas márgenes del Río Chubut a lo largo de 75.5 km. Hacia el este se distingue el VIRCH, una planicie aluvial amplia de 6.5 km de ancho aproximadamente que se extiende en una superficie de 42.000 ha. Los suelos fértiles son aptos para las actividades agrícola y ganadera, y ha sido también el lugar preferencial para el asentamiento de las poblaciones (según el censo de 2010 la población es de 151.190 habitantes distribuidos entre las localidades de Rawson, Trelew, Gaiman, Dolavon y 28 de Julio). Los límites laterales del valle están definidos por bardas escarpadas. Más allá de las bardas se extienden distintos niveles de terrazas fluviales. El área de aporte de esta unidad fisiográfica es incierto y depende de la intensidad de los eventos meteorológicos (Serra, 2009). La cuenca posee una precipitación anual de 185 mm, con un clima de tipo árido.
Figura 3. Mapa de la cuenca del Rio Chubut aguas abajo de la Presa Florentino Ameghino. Se distinguen las cuencas aluvionales aguas arriba de Boca Toma y el Valle Inferior del Río Chubut (Fuente: Kaless et al. 2008)
Cambios morfológicos e hidrológicos en el Río Chubut El Río Chubut ha cambiado notablemente sus características hidrológicas y morfológicas según lo revelan los datos disponibles en la sección del puente de Gaiman. La variabilidad mensual de caudales, típica de un régimen pluvio-nival, fue uniformada contando en la actualidad con caudales medios mensuales muy similares a lo largo de todo el año. La curva de duración de caudales se ha aplanado debido a la eliminación de los caudales altos de crecidas que afectaban al cauce antes de la construcción de la represa. Por ejemplo, el caudal máximo característico (permanencia menor al 5%) descendió de 117 a 69 m3/s; por otro lado, 5
hubo un aumento en los caudales mínimos, con un mínimo característico (permanencia del 95%) que ascendió de 0,2 a 16,7 m3/s. De este modo la represa ha cumplido con dos de sus objetivos: controlar las crecidas del Río Chubut y almacenar agua para riego durante la estación estival. Con respecto a los cambios morfológicos, los registros de aforo muestran indubitablemente que el cauce del Río Chubut ha experimentado un rápido atrofiamiento. El ancho del cauce se redujo de 38,4 m a 34,1 m en el Puente de Gaiman y de 35,1 a 28,0 m en la sección de Bryn Gwyn1 (medidos para el caudal de cauce lleno). La profundidad ha experimentado también una reducción de aproximadamente 0,50 m, pasando de 2,68 m a 2,24 m en el puente de Gaiman. Si bien la sedimentación se ha producido preferentemente en las márgenes del cauce, el lecho ha experimentado un ascenso. La figura 4 muestra las curvas de aforo (relación entre niveles del pelo de agua y el caudal) y la variación del nivel del fondo con el caudal. Se aprecia un ascenso del fondo de 0,50 m aproximadamente. Todos los cambios morfológicos se superponen para producir un marcado ascenso en la curva de aforo; por ejemplo, para un hipotético caudal de 150 m3/s, el nivel que alcanzaría la superficie libre actual sería 2 m superior a la situación pre-dique (si tal caudal realmente pudiera escurrir por la sección actual). Por otro lado, es interesante notar que para una elevación de 16 m, se registró un caudal de 110 m3/s (uno de los caudales más altos observados en el periodo 1993-2006) y que a esta misma elevación correspondía a un caudal dos veces más grande en la situación previa a la construcción de la represa. Finalmente, observando la baja dispersión en los datos es posible afirmar que la sección del río se encontraba en equilibrio hacia el año 1993, por lo que el proceso de atrofiamiento debió producirse en un periodo de tiempo menor a 25 años.
Figura 4. Curvas de aforo y variación del nivel del fondo con el caudal en la Sección Puente Gaiman para la situación Pre-Dique (periodo 1943-1946) y Post-Dique (1993-2006) (Fuente: Kaless et al. 2008).
1
La sección e Bryn Gwyn se ubica a 4km aguas arriba del Puente de Gaiman.
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MEDICIÓN DEL TRANSPORTE SÓLIDO Clasificación del transporte de sedimentos Las corrientes de agua transportan un amplio espectro granulométrico de sedimentos, desde las partículas más pequeñas como los limos y las arcillas hasta elementos de tamaño considerable como cantos rodados y bloques. La erosión de suelo en la cuenca produce los materiales más finos que son transportados en suspensión y reciben el nombre de “carga de lavado” (ver Tabla 1). Este material atraviesa toda la red hidrográfica durante la crecida y únicamente se deposita en casos de desbordes donde encuentra zonas de baja energía en las planicies de inundación. Por este motivo contribuye al desarrollo de la planicie2. Las fracciones más gruesas del espectro granulométrico (arenas y gravas) provienen de la erosión del cauce, esto es, las márgenes y el fondo, por tal motivo recibe el nombre de “material del fondo”. Estos materiales poseen distancias de transporte más cortas y suelen depositarse en el interior del cauce creando barras, rellenando márgenes o acrecentando los albardones naturales a los costados del cauce. Existen dos mecanismos principales de transporte: por suspensión y por arrastre de fondo. En el transporte por suspensión intervienen la fuerza gravitatoria y la turbulencia, por lo que participan las fracciones más finas (arenas). El material más grueso (arenas gruesas, gravas, cantos) es arrastrado por la fuerza hidrodinámica de la corriente (o esfuerzo de corte en el fondo) y se verifican tres modalidades: rotación, saltación y deslizamiento. La importancia práctica de esta clasificación reside en la posibilidad de predecir la intensidad del transporte de sedimentos. En el caso del material del fondo, el transporte está íntimamente relacionado con la intensidad de la corriente y, por lo tanto, puede correlacionarse con alguna variable del flujo (velocidad, caudal, esfuerzo de corte, etc.). En cambio, cuando se trata de la carga de lavado la presencia de cargas eléctricas inhibe la sedimentación del material, por lo que la suspensión del mismo no depende de la intensidad de la turbulencia. Por tal motivo, en este estudio la carga de lavado será estudiada a partir de la pérdida de suelo a escala de cuenca, mientras que el transporte del material de fondo será analizado con expresiones basadas en la intensidad del flujo. Tabla 1. Clasificación del transporte sólido.
Tipo de material
Tamaño de los sedimentos
CARGA DE LAVADO
ARCILLA
MATERIAL DEL FONDO
ARENA
LIMOS
Mecanismo de transporte
Rol morfológico
Origen de los sedimentos CUENCA
SUSPENSIÓN
PLANICIE DE INUNDACIÓN
FONDO
CAUCE MÁRGENES
CAUCE MÁRGENES
GRAVAS CANTOS
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Los sondeos geotécnicos realizados en las zonas próximas a las márgenes del río tanto para el tramo GaimanRawson (DGOH 2006b) como para el tramo Boca Toma-Gaiman (CFI, 2009) dan cuenta de materiales finos tales como limos (ML MH) y arcillas (CL, CH), y arenas limosas.
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Transporte medio anual de sedimentos – caracterización del transporte Pronsato (1950c) llevó a cabo una detallada campaña de mediciones del transporte sólido en suspensión en la localidad de Gaiman desde junio de 1943 hasta diciembre de 1945. Su informe reporta 195 mediciones de concentraciones (residuo seco) y caudal líquido en el momento de la extracción. La metodología empleada consistió en extraer muestras en cinco verticales, llenándose las botellas a lo largo de la vertical (concentración media). Sin embargo, también realizó comprobaciones tomando muestras en tres verticales distintas y a tres profundidades. Los análisis granulométricos efectuados al material en suspensión, de embanques y material de cauce arrojaron valores similares indicando en todos los casos la presencia de material muy fino. Pronsato reporta que el 94% del material sólido en suspensión pasa por el tamiz Nº200, es decir que se trata de partículas con tamaño menor a 0,074 mm (limos y arcillas). El restante 6% corresponde a arena fina. Por otro lado, el tamaño del material en el fondo es de 0,16 mm. En la figura 5 se exponen las mediciones de concentración a distintas profundidades efectuadas por Pronsato. Las concentraciones (c) están adimensionalizadas con la concentración del fondo (cb = 2,3 kg/m3). En la figura también se ha trazado la variación de la concentración con la profundidad según el perfil teórico de concentración de Rouse, para distintos tamaños de partículas. Se observa que el perfil teórico coincide con las mediciones para el tamaño de partículas correspondiente a limos. Dado que el material es muy fino su distribución en la sección es casi uniforme; la concentración superficial es sólo 5% inferior a la del fondo. Las implicaciones prácticas son importantes porque indica que es suficiente con tomar muestras superficiales para medir el transporte de sedimentos en toda la sección transversal, con un grado de exactitud aceptable. 1.000 0.900 0.800
y-b/H-b
0.700
Mediciones Pronsato
0.600
Arena M-G 1.41mm
0.500
Arena G 0.71mm
0.400
Arena M 0.35mm
0.300
Arena F 0.18mm Arena MF 0.088mm
0.200
Limos 0.02mm
0.100 0.000 0.010
0.100
1.000
c/cb Figura 5. Perfil vertical de concentración calculado con la expresión teórica de Rouse para distintos tamaños de partículas. También se incluyen las mediciones de Pronsato para la sección de Gaiman. Y es la profundidad desde el fondo, b es la distancia al fondo de referencia, y H es la profundidad del flujo.
El caudal sólido en suspensión presenta una notable dispersión (ver figura 6) producto de la variabilidad en la concentración de los sedimentos. El valor mínimo de concentración medida es de 0.13 kg/m3 mientras que el valor máximo alcanza los 13.6 kg/m3, es decir que el rango de variación es de dos órdenes de magnitud. La concentración media es de 2.64 kg/m3. La 8
Figura 7 muestra la variación de la concentración con el caudal, donde ilustra la dispersión antes mencionada. La línea de trazo diferencia dos tendencias marcadamente contrastantes. Por debajo de la línea la correlación entre concentración y caudal es muy buena. La concentración aumenta hasta un valor de 2.0 a 2.4 kg/m3 aprox. para un caudal de 100m3/s y a partir de éste se mantiene mayormente constante. En cambio, los puntos ubicados por encima de la línea muestran una aleatoriedad marcada. La interpretación de estas dos regiones se vincula con el grado de dilución de la carga de sedimentos. Cuando una crecida tiene su origen por eventos de lluvia o deshielo en la alta cuenca (o suficientemente alejada de la sección de Puente Gaiman) la carga de sedimentos se difunde por la turbulencia de la corriente y presenta entonces valores más homogéneos. En cambio, si se producen aportes de sedimentos desde cuencas torrenciales próximas (por ejemplo, en la cuencas ubicadas entre Boca Toma y el Dique) ocurrirían inyecciones al Río Chubut de caudales líquidos con altos contenidos de sedimentos. La corta distancia no sería suficiente para laminar la crecida y dispersar la carga de sedimentos. 10000
Caudal Sólido (kg/s)
1000
100
10
1 0
50
100 150 Caudal líquido (m3/s)
200
250
Figura 6. Caudal sólido medido en la sección de Gaiman durante el periodo 1945-1947
14
concentración (kg/m3)
12 10 8 6 4 2 0 0
50
100 150 Caudal líquido (m3/s)
9
200
250
Figura 7. Concentración del transporte de sedimentos en la sección Gaiman durante el periodo 1945-1947. La línea de trazo procura discriminar el origen posible de la carga de sedimentos: cuencas torrenciales próximas (sector superior) y alta cuenca (sector inferior)
Para determinar el transporte medio anual de sedimentos se ajustó una curva empírica de transporte sólido en función del caudal líquido (Qs). El volumen anual de sedimentos surge de realizar la siguiente integración:
= · ·
·
(1)
En donde F es la función de frecuencia acumulada de caudales, T es una constante igual a un año. Esta integración da como resultado un transporte anual de 1.917.155 tn de sedimentos, valor que se encuentra en media de los reportados por Pronsato (1950c): Periodo 1945-1946 : Periodo 1946-1947 : Año 1947 :
6.553.042 tn 5.196.595 tn 1.173.565 tn
Debe mencionarse que en los dos primeros períodos, donde el transporte supera la media calculada, ocurrieron crecidas de extraordinaria intensidad (con caudales picos de 250 m3/s en junio de 1945, 203 m3/s en septiembre de 1945, 198 m3/s en octubre del ‘45, 207 m3/s en agosto del ‘46 y 215 m3/s en septiembre de 1946). Considerando que aproximadamente el 94% de material está compuesto por limos y arcillas, es posible estimar una carga de lavado de 1.802.126 tn anuales y una carga de transporte de material de fondo (arena) de 115.029 tn (este valor sólo considera el transporte en suspensión y no el de fondo). EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS Existen numerosas expresiones de cálculo para determinar el transporte en suspensión, de fondo y total en ríos con lechos de arena. Para el presente estudio se seleccionaron tres expresiones de transporte total que presentan una relativa sencillez y requieren una mínima cantidad de parámetros. Se trata de los modelos desarrollados por Engelund y Hansen (1967), Ackers y White (1973), y el más reciente, de Molinas y Wu (2001). La expresión de Engelund y Hansen (1967) es una de las más sencillas y también de las más precisas. Si bien fue desarrollada en base a un número reducido de datos de laboratorio, presenta una buena performance en aplicaciones de campo. ∗ = 0.05 ∗ /
(2)
En donde Cf es el coeficiente de resistencia total, τ* es el esfuerzo de corte adimensional, y qt* es el transporte de sedimentos adimensional (por unidad de ancho). = ∗ =
!" #$ %
& '
(3) =
!"
(4)
'
En donde Rh es el radio hidráulico, S es la pendiente media del pelo de agua, R es el peso específico sumergido relativo del sedimento (generalmente se adopta un valor de 1.65), D es el tamaño del material del fondo y U es la velocidad media del flujo. Ackers y White (1967) consideraron el concepto de potencia de la corriente (stream power) propuesto por Bagnold y aplicaron el análisis dimensional para expresar la movilidad y tasa de transporte de sedimentos en términos de parámetros adimensionales. La ecuación de transporte propuesta es: 10
( = 10* + ( = 10*
&, '-. &
!
&, ,8
#
23
/0∗1 /4
56
− 11
(5) (6)
& 9&, ,8
Cs es la concentración en partes por millón y se relaciona con el caudal líquido Q y el caudal sólido total Qst según la ecuación 6; ρ es la densidad del agua, ρs es la densidad de los sedimentos, Rh es el radio hidráulico, D50 es el tamaño de los sedimentos (diámetro mediano), u* es la velocidad de corte (: ∗= ;⁄ ? = :∗D =
0∗@ 0∗A
BC@
(7)
; '-. #
(8)
L
√F GH IJKM ! N -.
En donde los parámetros n, m c y Aaw se obtienen por ajuste de datos de laboratorio considerando el tamaño adimensional de grano: /F
(9)
; ''
(10)
O ? = PQR PQR =
S
En donde υ es la viscosidad cinemática del agua, y Rep es el número de Reynolds para un grano de tamaño D. Para el caso en que O ? > 16; n = 0 m = 0,15, Aaw = 0,17 y c = 0,025. Si O ? < 16 los autores proponen las siguientes expresiones: W = 1 − 0,56YZ[O ?
(11)
\=
(12)
],** '23
a b =
+ 1,34
K, F
;'23
+ 0,14
(13)
log+ = 2,86 YZ[O ? − iYZ[O ? j − 3,53
(14)
El modelo de Molinas y Wu (2001) está basado en la teoría de Velikanov que asume que la potencia disponible en la corriente es igual a la suma de la potencia requerida para vencer la resistencia al flujo y aquella necesaria para mantener el sedimento en suspensión (contra la acción de la gravedad). La fórmula fue desarrollada en base a datos de laboratorio junto con datos de grandes ríos (Amazonas, Mississippi, Atchafalaya, etc.). ( =
JkFKiK.l*9√mjmB.-
(15)
Ψ=
#o
(16)
K.KJ*9m
s Nt M-.
pq,-. rGH I
$
En donde Cs es la concentración de sedimentos expresada en partes por millón, H es la profundidad media del flujo, vs50 es la velocidad de sedimentación para el tamaño de partícula D50 (diámetro mediano) y g es la aceleración de la gravedad. Las fórmulas de transporte fueron aplicadas considerando cuatro escenarios a fin de dar cuenta de las variaciones en la capacidad de transporte de sedimentos del Río Chubut en la sección de Puente Gaiman (transporte de arena en suspensión y de fondo) para el periodo 1946-2006. El primer escenario corresponde al estado natural del Río Chubut antes de la 11
construcción de la represa. La geometría del cauce se obtuvo de las mediciones de Pronsato de mediados de la década del ’40. El régimen hídrico fue determinado con las mediciones del periodo 1934-1946 (ver Kaless et al. 2008) y el tamaño del material en el fondo del Río Chubut es el reportado también por Pronsato (D = 0,16mm). En segundo término, se propone un escenario virtual que corresponde a los primeros años de puesta en funcionamiento de la central hidroeléctrica (década del 70). En este caso sólo se modifica el régimen de caudales adoptándose el régimen actual (periodo 1993 – 2006, Fuente Subsecretaría de Recursos Hídricos de la Nación). Los escenarios 3 y 4 consideran los cambios morfológicos ocurridos en el cauce y la variación en el tamaño de los sedimentos (D = 0,37mm en la actualidad), incorporando estos cambios uno a la vez en cada escenario. La tabla 2 muestra un resumen. Tabla 2. Características de los escenarios propuestos para analizar la variación de la capacidad de transporte de sedimentos en el Río Chubut – Sección Gaiman.
Escenario
Geometría del canal
Régimen hídrico
Tamaño del material
Escenario 1
Pre-Dique
Pre-Dique
0.16mm
Escenario 2
Pre-Dique
Post-Dique
0.16mm
Escenario 3
Post-Dique
Post-Dique
0.16mm
Escenario 4
Post-Dique
Post-Dique
0.37mm
En la tabla 3 se exponen las cantidades medias anuales de sedimentos que es capaz de transportar la corriente, según cada uno de los escenarios y fórmulas de transporte empleadas. Se destaca notoriamente la discrepancia en el orden de magnitud de las predicciones. Por ejemplo, para el primer escenario la fórmula de Molinas-Wu predice un transporte anual de 4·105 tn de sedimentos, la de Engelun-Hansen un valor 5 veces mayor mientras que la de Ackers-White, directamente un orden de magnitud mayor. Sin embargo, en todos los casos, cuando se consideran variaciones porcentuales respecto al valor inicial, se evidencia una tendencia unánime hacia la reducción de la capacidad de transporte. Tabla 3. Transporte medio anual de sedimentos en cada escenario (ver texto). El transporte está expresado en toneladas por año. Los valores entre paréntesis corresponden al porcentaje de los volumen calculados por el modelo de Molinas-Wu en cada escenario referido al primer escenario.
Modelo Molinas-Wu (tn) Ackers-White (tn)
Escenario 1 394,992
Escenario 2 333,880
Escenario 3 228,891
Escenario 4 86,263
(100%)
(85%)
(58%)
(22%)
3,894,694
655,534
774,372
170,552
(100%)
(17%)
(20%)
(4%)
1,504,812
987,441
459,816
(75%)
(49%)
(23%)
Engelund-Hansen (tn) 2,002,963 (100%)
En la sección anterior fue estimada una capacidad de transporte (en suspensión) de 1.917.155 tn. Considerando que aproximadamente el 6% corresponde a la fracción de arena, se obtiene un transporte en suspensión de 1·105 tn, que es consistente con los resultados de la fórmula de Molinas-Wu. Por este motivo dicha expresión será adoptada para el análisis. Cuando se considera el cambio en el régimen de caudales, esto es, pasando del escenario 1 al 2, el caudal sólido se reduce al 85%. Esta reducción se debe a la eliminación de las grandes crecidas con elevada capacidad de transporte de sedimentos. 12
El atrofiamiento en la sección del cauce produjo, para un mismo caudal, un aumento en la profundidad media H y una reducción en la velocidad media U. Esta combinación de factores junto con la ecuación 16, también explican la reducción de la capacidad del segundo al tercer escenario. La capacidad en el tercer escenario es del 58%, casi la mitad de la capacidad inicial. En la actualidad se observa un material de fondo que tiene el doble de tamaño. Una partícula con mayor tamaño sedimenta más rápidamente y se requiere de una intensidad de turbulencia mayor para mantenerla en suspensión. Se sigue entonces que, a igualdad de los restantes factores, la capacidad de transporte de este material será notoriamente inferior. Para el escenario 4, la situación actual, la combinación de sección atrofiada con la eliminación de las crecidas intensidad y el mayor tamaño del material presente en el lecho conducen a que la capacidad de transporte sea aproximadamente un cuarto de la correspondiente al estado previo a la construcción del dique. Las expresiones de transporte empleadas asumen como premisa la existencia de un estado de equilibrio sedimentológico; esto significa que la cantidad de sedimentos transportada por la corriente es igual a su capacidad de transporte. Se sigue que no existe erosión ni sedimentación neta en el tramo y además el aporte de sedimentos es igual a la capacidad de transporte. Cabe preguntarse si tal situación ocurre en los escenarios planteados. Una posible respuesta puede inferirse de las curvas de aforo. En la primera sección de este trabajo se presentaron las curvas de aforo para la situación actual y la reportada por Pronsato (ver figura 4), que corresponden a los escenarios 4 y 1, respectivamente. Estas curvas muestran una notable consistencia: los datos se disponen coherentemente siguiendo una tendencia clara respecto a la variación del caudal. La coherencia o poca dispersión indica que la sección es estable, es decir, el Río Chubut se encontraba en un estado de equilibrio sedimentológico al momento de las mediciones de Pronsato (1943-1947) y también ha alcanzado un estado de equilibrio en la actualidad (mediciones 1993 -2006). De este modo es posible afirmar que la reducción en la capacidad de transporte de sedimentos es igual a una reducción en el aporte de sedimentos desde la cuenca. ¿Cuál es el origen de estos sedimentos? La sección de Gaiman se ubica a 63 km aguas abajo de Boca Toma y a 138 km aguas abajo de la represa. Dado que el contenido de sedimentos en las descargas desde la central hidroeléctrica es despreciable, el origen de los sedimentos debe buscarse en el material del lecho y márgenes, que al ser erosionados por la corriente cargan progresivamente de sedimentos el flujo en los siguientes 138 km. También, durante los primeros 75 km el río puede recibir los aportes desde las cuencas torrenciales laterales. Si bien excede los objetivos del presente estudio, resulta oportuno indicar que, en base a mediciones directas de campo, existe una variación granulométrica del material del lecho del cauce con tendencia a la reducción del tamaño en el sentido del escurrimiento. En proximidades de Boca Toma se han medido tamaños medios de 36mm. Las gravas conforman el material del cauce (con tamaños comprendidos entre 12 y 28mm) hasta 15 km aguas arriba de la sección de Puente Gaiman, a partir de dicha sección el cauce posee arena en el fondo. Es claro que el material fino ha sido removido del lecho del cauce en el tramo superior (represaBoca Toma) y ha constituido una fuente de sedimentos para los tramos inferiores. La presencia de un manto de gravas (perteneciente a un régimen hídrico pretérito del Río Chubut) probablemente ha limitado el proceso de incisión del cauce visible en la sección del Puente sobre Ruta Provincial 10 – acceso norte a la localidad de 28 de Julio. EVALUACIÓN DEL APORTE DE SEDIMENTOS El origen actual del material transportado como “carga de lavado” se encuentra en las cuencas aluvionales ubicadas a ambos lados del Río Chubut en su tramo comprendido entre el Dique 13
Florentino Ameghino y el paraje “Boca Toma” punto de inicio de la red de riego y del VIRCH. El aporte anual de sedimentos a la red hidrográfica fue estimado mediante la pérdida media anual de sedimentos en la cuenca empleando el modelo RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation, Renard et al., 1997, ver también la publicación en este mismo volumen). Sin embargo, el modelo RUSLE no es apto para cuantificar la cantidad de material que alcanza efectivamente la red hidrográfica y la proporción que se deposita en el interior de la cuenca. Estos procesos fueron simulados aplicando el modelo SEDD (Sediment Delivery Distributed) y fórmulas empíricas de trasferencia de sedimentos. Pérdida de suelo a escala de parcela La información de base consistió en un Modelo Digital del Terreno (MDT) con celdas de tamaño 71.17 x 71.17 m del área de estudio. Este modelo fue depurado para eliminar depresiones y se determinó el área de la cuenca con punto de síntesis en Boca Toma. El área total de la cuenca es de 1246.5 km2 que comprende el valle del Río Chubut, los cuencos aluvionales y parte de la meseta circundante (ver figura 8). También se emplearon imágenes satelitales LANSAT 7, especialmente las bandas 3 y 4, para la clasificación del uso del suelo. El modelo RUSLE requiere evaluar una serie de factores: K (erodabilidad del suelo), R (capacidad erosiva de la lluvia/escorrentía), LS (factor topográfico que comprende la longitud del área erosionada y la pendiente) y C (factor de cobertura). En primer término se abordó el factor topográfico producto de L y S, cuya evaluación se hizo a partir del MDT. Se calculó el mapa de pendientes y con éste se evaluó el factor S. Respecto a la longitud de erosión se consideró la dirección del flujo superficial evaluado con el procedimiento D8 (Tarboton, 1997). Entonces, si el flujo era horizontal o vertical (en el sentido de la grilla del MDT) se adoptó una distancia igual al tamaño del pixel, y si el flujo era diagonal al pixel, se utilizó una distancia igual a √2 veces el tamaño del pixel. No se consideraron distancias mayores de flujo porque estas superarían los límites recomendados donde comienza a producirse el depósito del material (Fernandez et al. 2003). Para calcular el factor L se consideró una pendiente media de la cuenca igual a 0.037 m/m y un exponente m = 0.35. La determinación de los factores K y C requiere clasificar previamente el suelo. Las bandas 3 y 4 fueron combinadas para producir el índice NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), y se aplicó una clasificación no asistida. Luego se individuaron cuatro clases: agua, valle (con elevada densidad de vegetación), suelo desnudos (nula a escasa vegetación) y meseta (con vegetación de tipo esteparia). La figura 9 muestra la clasificación de los suelos y en la tabla 4 se exponen los factores K y C adoptados de acuerdo a experiencias de campo previas (ver artículo en esta misma publicación). Finalmente, haciendo la multiplicación de los distintas capas K, L, S y C, se obtuvo la pérdida de suelo A (tn/ha) por unidad de poder erosivo de la lluvia (R, en unidades de MJ/ha mm/h). Tabla 4. valores asignados de los factores K (erodabilidad del suelo) y C (grado de cobertura) para las distintas clases de uso del suelo identificadas en la cuenca.
14
Figura 8. Modelo digital del terreno de la cuenca aluvional aguas arriba del paraje “Boca Toma”
Figura 9. Interpretación de clases: 1 : agua; 2 y 3: suelos desnudos; 4 y 5: meseta, vegetación esteparia; 6: buena cobertura vegetal en zonas del valle
15
Transferencia de sedimentos de la cuenca Ferro y Porto (2011) desarrollaron el modelo paramétrico SEDD (Sediment Delivery Distributed) de transferencia de sedimentos desde la fuente hasta la red de drenaje que permite analizar la transferencia de sedimentos a escala de cuenca. El modelo divide la cuenca en unidades morfológicas y consiste en una expresión matemática que determina el porcentaje de sedimentos que sale efectivamente de la cuenca. Entonces, a cada unidad morfológica le corresponde un factor de transferencia SDRu: uOP: =
vHG0 Q w0Q ( GQ Q G x0Qx
(17)
vHG0 Q Q Q?H(ó Q G R ?xQG
El factor SDR depende de la escala temporal adoptada; a escala anual, el factor SDR generalmente es menor que 1 debido a la retención en la cuenca, mientras que a escala de evento, puede ser mayor que 1 por la presencia de material almacenado en la red de drenaje. Con respecto a la escala espacial, en cuencas pequeñas con cursos efímeros SDR ≈ 1 porque las laderas están muy próximas a la red de drenaje y no hay planicies de inundación para almacenar los sedimentos. En la aplicación a un modelo digital del terreno, se consideró que cada pixel es una unidad morfológica de estudio (Fernandez et al., 2003). Se determinó en primer término la distancia desde este pixel a la red hidrográfica: Y = zJ + z + ⋯
(18)
En donde λ1, λ2, etc., son las distancias de flujo en cada pixel. Luego se evaluó el “tiempo” que requiere el sedimento en desplazarse atravesando los distintos pixeles hasta alcanzar la red. | =
}B
√(B
+
}$
√($
+⋯
(19)
En donde s la pendiente del pixel. Esta expresión no tiene unidades de tiempo, sino de metros. En realidad t es un parámetro sustitutivo del tiempo de flujo donde la velocidad se ha cuantificado con la raíz de la pendiente, tal como sugiere la ecuación de Manning. Finalmente el modelo propone una expresión exponencial para determinar la tasa de transferencia de sedimentos SDR de cada pixel: uOP = ~−| = ~ r− I∑
}
;(
Nt
(20)
El parámetro β determina el grado de conexión entre las laderas y la red hidrográfica y debe calibrarse para cada cuenca y evento. Estos cálculos se realizan fácilmente con el álgebra de raster disponible en cualquier software GIS. Para este estudio, primero se determinó la red de drenaje considerando un umbral de área drenada de 1000 pixeles, definido a partir de la observación de las imágenes satelitales. Entonces, todos los píxeles con área drenada menor a ese umbral fueron clasificados con “0” designando “ladera” y por el contrario, con “1” los que corresponde a “red hidrográfica”. El tiempo t se calculó con la función “longitud de flujo” considerando para cada pixel un peso dado por la siguiente expresión: =
J?
(21)
;(
En donde r es el mapa raster de la red hidrográfica, y s el de pendiente. En la figura 10 se muestra la red de drenaje determinada para el área de estudio. Debe mencionarse que de todos los cursos individuados únicamente el que corresponde al Río Chubut es perenne, los otros son cauces efímeros que se activan durante las crecidas. 16
Figura 10. Mapa que diferencia zonas de cauce con valor 1 (flujos canalizadas, lineales, durante eventos de crecidas) y ladeas con valor 0 (donde el flujo es de tipo mantiforme o en pequeños surcos, pero no canalizado).
Considerando valores para el parámetro β (en el rango 0.00002 – 0.002) se determinó la transferencia de cada pixel SDRu, y la tasa de transferencia global de la cuenca SDRw. Para este último parámetro se combinó el modelo SEDD y el RUSLE. Ferro y Minacapilli (1995) han mostrado que es suficiente con incluir los factores topográficos LS en la determinación de SDRw. Entonces la expresión de cálculo es: uOP ≅
∑ i j" ∑ "
(22)
En la figura 11 se muestra la variación de SDRw con el parámetro β. Cuando β es bajo, el grado de conexión entre laderas y red hidrográfica es alto por lo que se obtienen una alta tasa de transferencia de sedimentos al punto de síntesis de la cuenca (con un valor que supera el 70% del material erosionado en la cuenca). En cambio, cuando β tiene un valor alto, por ejemplo 0.002, la transferencia es muy baja y alcanza solamente al 10% aproximadamente. La recta de ajuste muestra que SDRw es aproximadamente inversamente proporcional a la raíz cuadrada de β. La figura 12 muestra la tasa de transferencia de sedimentos para cada pixel (SDRu), evaluado en el punto de síntesis de la cuenca, para un valor de β = 0.0007. Los pixeles de la cuenca más próximos a la red de drenaje presentan valores más altos de SDRu, por lo que las áreas de aporte de sedimentos afectan únicamente una superficie restringida de la cuenca (para este valor de β, aproximadamente el 20% de los sedimentos producidos en la cuenca alcanzan el punto de síntesis, ver tabla 5).
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SDRw
0.5
y = 0.004x-0.51 R² = 0.985 0.05 0.00001
0.0001
Parámetro β
0.001
0.01
Figura 11. Variación de la tasa de transferencia de sedimentos de la cuenca (SDRw) según el parámetro β. Un mayor valor de β implica menor conexión entre laderas y cauces y consecuentemente una menor tasa de transferencia de sedimentos.
Figura 12. Ejemplo de tasa de transferencia de cada pixel (SDRu) para un parámetro β = 0.0007. En blanco corresponde a valores SDRu =0 (la erosión en el pixel no alcanza el punto de síntesis de la cuenca) a negro para SDRu = 1 (es sedimento sale de la cuenca).
Se adoptaron distintos valores de R, considerando el año más húmedo (R = 1263 MJ mm / ha h), un año medio (R = 381 MJ mm / ha h), el año más seco (R = 86 MJ mm / ha h) y la tormenta de mayo de 1992 (R = 222 MJ mm / ha h) (Serra et al. 1998). La tabla 5 muestra la 18
producción de sedimentos de la cuenca para dichos eventos y considerando distintos grados de transferencia al punto de síntesis en Boca Toma. Tabla 5. Producción de sedimentos de los cuencos aluvionales para distintos eventos y considerandos varios grados de conexión entre laderas y red de drenaje.
β 0.00004 0.00010 0.00020 0.00040 0.00070 0.00100 0.00200
SDR*A/R tn·hr/MJ mm 0.02355 0.01719 0.01222 0.00815 0.00572 0.00452 0.00278
SDRw 0.733 0.544 0.396 0.272 0.196 0.158 0.099
Producción de sedimentos (tn) para valores de R(MJ/ha mm/h) 1263 381 222 3,707,030 1,118,273 651,592 2,706,155 816,346 475,666 1,923,259 580,175 338,055 1,282,733 386,953 225,469 900,457 271,634 158,275 711,296 214,572 125,026 437,119 131,863 76,833
86 252,418 184,267 130,958 87,344 61,314 48,433 29,764
De acuerdo a los cálculos del transporte medio anual de sedimentos para la situación predique, la carga de lavado ascendía a 1.802.126 tn y considerando un módulo de 40m3/s corresponde a una concentración media de 1.5 kg/m3, sin embargo la concentración variaba ampliamente en un rango de 1 a 13 kg/m3. En la actualidad, aún no se ha realizado un estudio sistemático del transporte en suspensión. Dicho estudio puede iniciarse sobre la base de las mediciones de turbiedad en las distintas plantas potabilizadoras ubicadas a lo largo del Río Chubut (Puente Tom Bach, Gaiman, Trelew, Rawson). En abril de 2014 ocurrió un evento meteorológico que afectó extensamente a la región. El día 10 se tomó una muestra superficial durante el pico de la crecida cuyo análisis dio un residuo seco de 8.96 kg/m3. Esta medición soporta la interpretación hecha respecto a la variabilidad de las concentraciones reportadas por Pronsato (Figura 7): valores más bajos de concentración (próximos a 2 kg/m3) dan cuenta de un proceso de difusión de la carga de sedimentos, mientras que valores altos corresponden a aportes próximos al sitio de medición. Teniendo en cuenta esta variabilidad en las concentraciones se considerará una rango de 1 a 10kg/m3 para el siguiente análisis. La tormenta ocurrida en 1992 produjo un volumen de escorrentía de 8.086.979m3 (Serra et al. 1998). Aplicando el rango de concentraciones antes definido se puede estimar una carga total de lavado de 8.086 a 80.869 tn para el evento. En base a la relación encontrada entre el parámetro β y SDRw, se pueden establecer los siguientes rangos: Variación de β :
0,00186 a 0,02315
Variación de SDRw :
0,012
a 0,105
Obsérvese que la tasa de transferencia de la cuenca es muy baja, aproximadamente del 1% y que alcanzaría el 10% para una concentración más alta de 10 kg/m3. La evaluación de la tasa de transferencia de sedimentos ha sido objeto de amplios estudios (Ver Wallin, 1983). Las investigaciones demuestran que existe una fuerte correlación con el área de la cuenca: cuanto mayor es el área menor es la transferencia de sedimentos. Esta situación se explica por la mayor probabilidad de retención de sedimentos en el interior mismo de la cuenca y por el hecho que no toda la cuenca es afectada por un evento meteorológico con la misma intensidad. Las cuencas de ambientes desérticos están afectadas por lluvias de alta intensidad y baja duración que responden a fenómenos convectivos de reducida extensión areal (Tooth, 2013). Además la elevada tasa de infiltración en los cursos 19
efímeros produce una tendencia a la sedimentación hacia aguas abajo. Se han propuesto expresiones que correlacionan la tasa de transferencia con el área drenada (A, en km2): uOP = a
(23)
Se ha evaluado que el coeficiente b es aproximadamente igual a 0.3 para cuencas del Sudoeste de Estados Unidos, región con clima desértico. Si se considera que un pixel de 71.15m x 71.15 m posee una tasa de transferencia del 100%, entonces el SDRw para una extensión de 1246 km2 puede derivarse de la ecuación 20, dando como resultado un valor de 0.024 que concuerda muy bien con los cálculos realizados (corresponde a una concentración media en el cauce del Río Chubut de 2 kg/m3). Aplicando esta tasa de transferencia se puede estimar un aporte anual de sedimentos de 9.6·104 tn para los años húmedos, 2.9·104 tn para los años medios y 0.6·104 tn para los años secos. Estas cantidades son notablemente inferiores de la carga media anual determinada para el momento anterior a la construcción de la presa (1.8·106 tn). El año más húmedo entregaría tan solo un 5% de la carga pretérita. Esta diferencia puede explicarse en el hecho que la carga anual de sedimentos transportados por el rio Chubut y medidos por Pronsato incluyen los aportes de toda la cuenca, con caudales que fluyen perennemente. En cambio, el volumen estimado para la erosión de suelos se aplica a un área restringida de la cuenca y corresponde a eventos puntuales de lluvias en la zonas del VIRCH.
CONCLUSIONES Y ESTUDIOS FUTUROS El transporte anual de sedimentos en el Río Chubut antes de la construcción de la presa Florentino Ameghino era de 1.917.155 tn, compuesto por 94% de limos y arcillas y 6 % de arena, aproximadamente. La concentración variaba entre 1 y 13.5 kg/m3 con un valor medio anual de 1.5 kg/m3. Las mediciones de transporte de sedimentos realizadas por Pronsato y los cálculos realizados para perfiles verticales de concentración muestran que la distribución de concentración es casi uniforme. Por este motivo, sería suficiente con tomar muestras superficiales para obtener concentraciones muy próximas a la media de la sección. La reconstrucción histórica de caudales sólidos puede llevarse a cabo a través de los registros de turbiedad de las plantas potabilizadoras del VIRCH, correlacionando la concentración de sedimentos (kg/m3) con las unidades de turbiedad. El análisis de aporte de sedimentos desde los cuencos aluvionales indica una tasa de transferencia de sedimentos del orden del 2.4%. Aplicando esta tasa de transferencia se puede estimar un aporte anual de sedimentos de 9.6·104 tn para los años húmedos, 2.9·104 tn para los años medios y 0.6·104 tn para los años secos. Los cuecos aluvionales entregan en el año “más húmedo” tan solo el 5% de la carga que circulaba por el Río Chubut antes de la construcción de la represa. Estas cantidades corresponden a carga de lavado que probablemente lleguen al mar y no se depositen en el interior del cauce. Respecto al material de fondo, el cambio en el régimen de caudales produjo una reducción en la capacidad de transporte del Río Chubut. El aporte de sedimentos de arena desde los cuencos aluvionales contribuyó al atrofiamiento del cauce. En la actualidad el cauce se presenta más estrecho y con nivel de fondo más elevado, ambos factores redujeron 20
ulteriormente la capacidad de transporte. Se estimó que en la actualidad la capacidad es 22% de la disponible antes de la construcción de la represa. La coherencia en los datos de alturas hidrométricas en Puente Gaiman (desde 1993) indican que la sección es estable y que el cauce habría alcanzado un estado de equilibrio en menos de 25 años. Esto indica además que la capacidad de transporte de sedimentos sea, al menos en este tramo, igual al aporte de sedimentos desde la cuenca. Entonces, se puede afirmar que el aporte de sedimentos se redujo al 22%. El tamaño del material del lecho del río Chubut en la actualidad es aproximadamente el doble del tamaño del material reportado por Pronsato. Estudios futuros pueden dirigirse para cuantificar la variación del tamaño a lo largo del cauce hasta Boca Toma.
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