INTRODUCCION A LA

HIDRAULICA FLUVIALArturo Rocha

INTRODUCCION A LA

HIDRAULICA FLUVIAL

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

Primera Edicin Noviembre 1998

Facultad de Ingeniera Civil Universidad Nacional de Ingeniera Av. Tpac Amaru 210 Rmac Telefax 4819845

Derechos Reservados

Prohibida la reproduccin total o parcial de este libro por cualquier medio sin permiso expreso del autor

Impreso en el PerPRESENTACION

La Facultad de Ingeniera Civil de la Universidad Nacional de Ingeniera se complace en presentar el libro titulado Introduccin a la Hidrulica Fluvial, el cual constituye un valioso aporte al desarrollo de la ingeniera en el pas. Esta publicacin se realiza dentro del programa de publicaciones tcnicas de la facultad, la cual viene publicando libros en los diferentes campos de la ingeniera civil y cuyos autores son profesores de este centro de estudios.

El Dr. ARTURO ROCHA FELICES, autor del libro, profesor Emrito de la Universidad Nacional de Ingeniera, es un profesional de gran prestigio, con una amplia experiencia en el campo de la ingeniera hidrulica, autor de ms de 50 publicaciones sobre temas hidrulicos entre ellas Transporte de Sedimentos Aplicada al Diseo de Estructuras Hidrulicas, Recursos Hidrulicos, Agua para Lima en el Siglo XXI.

La caracterstica fundamental de la produccin bibliogrfica del autor son: claridad en el lenguaje, estructuracin didctica de la obra, claros objetivos y sobre todo, aplicaciones prcticas muy precisas a la realidad nacional.

Este libro ser de suma utilidad para el Ingeniero Hidrulico, dada la diversa gama de regmenes fluviales que se encuentran en el Per, donde la mayora de sus ros son jvenes faltando an por desarrollar muchos proyectos de ingeniera hidrulica.

La Facultad de Ingeniera Civil agradece al Dr. Arturo Rocha Felices por su aporte, al hacer realidad la publicacin de este excelente libro.

Ing. Roberto Morales Morales Decano de la Facultad de Ingeniera Civil UNI

v

PROLOGO

La literatura tcnica en nuestro pas es escasa, y en particular en temas como el tratado en esta publicacin Introduccin a la Hidrulica Fluvial que viene a llenar un gran vaco.

Arturo Rocha con su capacidad didctica, no slo nos transmite aspectos desde el punto terico, sino que nos ilustra con su experiencia vivida en el que hacer de los proyectos hidrulicos y nos da recomendaciones que los lectores sabrn apreciar y aplicar.

En el Captulo 1 Introduccin, nos informa sobre lo que representa la escorrenta a nivel mundial, y en particular en el Per, y nos invoca a la comprensin de la importancia de su correcto manejo y a la necesaria participacin de la ingeniera para su racional y econmica utilizacin.

Para compenetrarnos con el tema describe los efectos de las obras hidrulicas en las condiciones naturales de la escorrenta de los ros y nos presenta argumentos que nos deben conducir a ser conscientes de la necesidad que tenemos de defendernos contra sus efectos, as como de proteger a los cursos de agua contra la agresin humana. Esto se complementa con el ejemplo de la relacin ro-ciudad, y en particular del ro Rmac con la ciudad de Lima, brindndonos su aporte, a travs de sus comentarios para lograr un mejor manejo de los recursos.

En el Captulo 2, trata el tema Erosin de Cuencas con gran simpleza y claridad y describe los efectos que la degradacin de cuencas puede introducir en las condiciones originales de escorrenta. Insta a tomar acciones correctivas en los casos generados por el hombre o la naturaleza, que conduzcan a detener o revertir los mismos.

viiEn el Captulo 3 Movilidad Fluvial, luego de las definiciones, entra a la descripcin de este fenmeno bajo las diversas condiciones que se presentan en la naturaleza, y a la clasificacin de los ros. Completa el captulo con referencias histricas sobre fenmenos de inestabilidad en los ros del Per y del mundo, relacionndolos con estudios y obras en que particip como Ingeniero.

En los Captulos 4 a 8 presenta aspectos tericos fundamentales para analizar el fenmeno de la mecnica fluvial como son:

- La Hidrulica de los Conductos Abiertos.

- El Estudio del Transporte de Sedimentos.

-El Fondo Mvil, con la descripcin clara de los conceptos de inicio del movimiento, fases del transporte slido, frmulas y condiciones que pueden presentarse durante el desarrollo del fenmeno de arrastre de sedimentos.

-El Gasto Slido de Fondo, con la metodologa y frmulas ms utilizadas.

-Los conceptos bsicos del Gasto Slido en Suspensin, incluyendorecomendaciones prcticas para las mediciones,mediante muestreos sistemticos y secuenciales, producto de la invalorable experiencia del autor.

Quiero destacar una afirmacin que Arturo Rocha hace en el Captulo 7 y que todos los Ingenieros debemos tener siempre presente: las frmulas no son buenas ni malas, el bueno o el malo es el Ingeniero que las usa .

En el Captulo 9 Morfolgica Fluvial, destaca su recomendacin sobre la necesidad del Ingeniero de tomar conciencia de lo que va a hacer o de lo que hace, es decir que conozca con anticipacin la reaccin del ro contra la obra que ejecuta, en las diversas condiciones que se podran presentar durante la vida til del proyecto, complementando el captulo con definiciones y principios bsicos, a ser tomados en cuenta por los Ingenieros en sus diseos y obras.

viiiEn el Captulo 10 Erosin de Cauces Aluviales y en el Captulo 11 Sedimentacin de Embalses, presenta la mecnica de estos fenmenos y presenta ejemplos prcticos relacionados con obras realizadas en el Per, fruto de su experiencia personal, que considero los lectores sabrn apreciar y valorar.

Finalmente en el Captulo 12 Modelos Fluviales, presenta los aspectos tericos en los que se basa la representacin a escala reducida de los fenmenos que pueden originarse en un ro por causa del flujo natural o por la ejecucin de obras. Considero que el autor de este punto proporciona los elementos suficientes para crear conciencia, entre los profesionales que intervienen en las actividades relacionadas al tema, sobre la ventaja que representa la ejecucin de un modelo hidrulico para la correcta y eficiente ejecucin de los estudios y obras.

En resumen y como seal al inicio del prlogo, Arturo Rocha no slo llena un vaco en la informacin bibliogrfica, sino que enriquece nuestros conocimientos con su generoso aporte, producto de su experiencia en los mayores proyectos de la Ingeniera Hidrulica del Per y del mundo.

Este esfuerzo y entrega considero ser comprendido por los colegas que tendrn la oportunidad de leer esta publicacin, a nombre de los cuales dejo constancia de mis felicitaciones y deseos para que contine ilustrndonos con sus conocimientos a travs de estos trabajos, que si lugar a dudas permitirn un mejor desarrollo de la Ingeniera Hidrulica Peruana.

A la Facultad de Ingeniera Civil de la Universidad Nacional de Ingeniera, mi felicitacin por este esfuerzo editorial que tengo la seguridad ser debidamente apreciado por los colegas y estudiantes de la especialidad.

Ing. Miguel Suazo G. Presidente del Comit Peruano de Grandes Presas

ix

PALABRAS PRELIMINARES DEL AUTOR

La motivacin de este libro tiene que buscarse en mi antiguo cario y dedicacin al estudio de los ros. La necesidad de escribirlo y publicarlo nace del deseo de compartir mis vivencias e inquietudes en el apasionante mundo de los ros.

La historia del progreso de la humanidad gira en torno al aprovechamiento de los cursos de agua. En consecuencia, el conocimiento de los ros resulta ser fundamental para lograr el desarrollo econmico y el bienestar de la sociedad. Desde los ms remotos orgenes, la ingeniera ha tenido un papel preponderante en esta tarea.

En el Per, que es la inspiracin de este libro, los ros constituyen un reto inagotable que el ingeniero debe afrontar cada da. En nuestro pas se encuentra el 4,6% de los recursos hidrulicos superficiales de nuestro planeta. Sin embargo, la desigual distribucin espacial y temporal del recurso crea enormes problemas para su aprovechamiento y control. A lo anterior debe aadirse la presencia cada vez ms frecuente del Fenmeno de El Nio. Todo esto dentro de un creciente proceso de erosin de cuencas que trae consigo que nuestros ros tengan un transporte slido intenso, lo que dificulta y encarece enormemente su aprovechamiento.

Los orgenes de este libro tendrn que ubicarse en las primeras experiencias de laboratorio con modelos hidrulicos de cauce mvil, que empezaron en el Per en los aos sesenta con la puesta en marcha del Laboratorio Nacional de Hidrulica. De entonces ac, el tema de los ros ha constituido el centro de mi atencin profesional y acadmica.

xiEste libro es una introduccin en el sentido que tiene esta palabra, de preparacin para llegar a un fin. Pero, introduccin significa tambin entrada y trato familiar e ntimo con alguien. El libro pretende ser una preparacin, y en tal sentido es eminentemente propedutico. Pretende tambin que el lector se familiarice con el complejo, y a veces desconcertante, comportamiento fluvial.

Ha sido difcil elegir dentro de la diversidad de temas que ofrece la Hidrulica Fluvial, aqullos que podran resultar de mayor inters. Haber elegido implic necesariamente haber dejado de lado muchos temas que hubiera podido incluir. Considero, sin embargo, que ha sido necesario incidir en los temas fundamentales dado su carcter formativo. En tal sentido, este libro no es un manual de diseo. Aspira ms bien a ser una ayuda para quien desee iniciarse en el apasionante tema del estudio de los ros, sea un estudiante de antegrado o postgrado, de ingeniera civil, agrcola, geolgica o sanitaria, sin excluir por cierto a otras especialidades como la ingeniera geogrfica y la ambientalista.

El libro est inspirado y basado en los problemas que se presentan en los ros peruanos, aunque no se restringe a ellos, pues he considerado enriquecedor incluir datos y casos provenientes de otros pases, vinculados a temas que he conocido por alguna circunstancia.

Por grande que sea el trabajo del autor, la publicacin de un libro es siempre un esfuerzo colectivo. Tengo que agradecer a todos aqullos que a lo largo de las ltimas dcadas me permitieron intervenir en sus problemas, a mis colegas y a mis amigos que me estimularon para culminar la tarea, a mis alumnos de diversas pocas y generaciones en quienes siempre pens al escribir esta Introduccin a la Hidrulica Fluvial.

Este libro ha venido siendo escrito en los ltimos aos. Si hoy sale a la luz es por la decisin de nuestro Decano de la Facultad

xiide Ingeniera Civil, ingeniero Roberto Morales Morales, quien desde el primer momento acogi con entusiasmo y firmeza la idea de su publicacin, y ha escrito las palabras de presentacin. El ingeniero Edgar Rodrguez Zubiate, Jefe del Departamento de Hidrulica e Hidrologa y coordinador de esta publicacin, tuvo una decisiva participacin para que ella contine adelante. Su estmulo result ser fundamental para mi trabajo. A ellos les expreso mi agradecimiento, pues sin su participacin este libro no habra sido posible.

El bachiller de Ingeniera Civil Marlon Gala Garca tuvo a su cargo la composicin del texto, los dibujos, la diagramacin general y la preparacin de la edicin en su presentacin final, lo que hizo con especial dedicacin y eficiencia, que agradezco mucho.

Mi amigo y colega el ingeniero Miguel Suazo, presidente del Comit Peruano de Grandes Presas, ha tenido la bondad de escribir el generoso prlogo que precede este libro por lo que le expreso mi especial reconocimiento.

A.R.F

xiii

En homenaje a los 122 aos de la Facultad de Ingeniera Civil de la Universidad Nacional de Ingeniera formando profesionales al servicio del Per

1876 - 1998

xv

CONTENIDO

Presentacin v Prlogo vii Palabras Preliminares del Autor xi Indice de Figuras xx Indice de Cuadros xxiii Lista de Smbolos xxiv

Captulo 11.1Introduccin al Estudio de los RosLa Escorrenta Mundial

1

1.2El Aumento de las Demandas de Agua7

1.3Aproximacin a la Hidrulica Fluvial10

1.4Relacin de la Hidrulica Fluvial con

otras Disciplinas11

1.5Los Ros del Per. Panorama de suAprovechamiento y Control12

1.6El Binomio Ro-Ciudad14

Captulo 2Erosin de Cuencas

2.1Conceptos Fundamentales de Geomorfologa19

2.2Procesos y Agentes Geomrficos. Agradacin

y Degradacin23

2.3Erosin de Cuencas. Erosin Especfica24

2.4Tipos de Erosin29

2.5El viento y los Glaciales como Agentes Erosivos33

2.6Prevencin de la Erosin34

2.7reas Crticas35

2.8La Erosin en el Per37

xvii

Captulo 33.1Movilidad FluvialDefiniciones

43

3.2Movilidad Fluvial48

3.3Introduccin a la Clasificacin de los Ros57

3.4Ejemplos de Inestabilidad Fluvial58

3.5Clasificacin de los ros por su Edad61

3.6Ro Chira: Aspectos de Inestabilidad Fluvial62

3.7Ro Tumbes: Aspectos de Inestabilidad Fluvial64

3.8Comportamiento del Ro Siguas: Simulacin

en Modelo Hidrulico67

Captulo 44.1Hidrulica de los Conductos AbiertosConductos Abiertos

69

4.2Fuerza Tractiva70

4.3Naturaleza Hidrulica del Contorno72

4.4Coeficientes de Resistencia74

4.5Ecuaciones de Distribucin de Velocidades76

Captulo 5Introduccin al Estudio del Transporte de

5.1SedimentosModalidades del Transporte Slido Fluvial79

5.2Fuerza Tractiva Crtica85

5.3Interaccin Sedimento-Estructura86

5.4Propiedades Fsicas de los Slidos89

5.4.1 Tamao y Forma90

5.4.2 Composicin Mineralgica96

5.4.3 Peso Especfico97

5.4.4 Velocidad de Cada98

5.5Variabilidad del Transporte Slido109

Captulo 6El Fondo Mvil

6.1El Concepto de Iniciacin del Movimien to115

6.2Criterio de SHIELDS119

6.3Otras Frmulas y Criterios de Iniciacin del

Movimiento125

6.4Fases del Transporte Slido133

6.5Macro y Microrrugosidad. Descomposicin del

Coeficiente de Resistencia137

6.6Acorazamiento del Lecho Fluvial138

xviii

Captulo 77.1Gasto Slido de FondoProblemtica General

141

7.2Metodologa Bsica142

7.3Metodologa de Clculo145

7.4Funcin Transporte146

7.5Frmula de DU BOYS147

7.6Frmula de SCHOKLITSCH150

7.7Frmula de MEYER-PETER y MUELLER152

7.8Frmula de EINSTEIN160

7.9Frmula de FRIJLINK162

Captulo 88.1Gasto Slido en SuspensinCaractersticas de la Suspensin

165

8.2Distribucin Vertical de Concentraciones167

8.3Gasto Slido en Suspensin171

8.4Distribucin Vertical del Gasto Slido en

Suspensin173

8.5Mediciones173

Captulo 9Morfologa Fluvial

9.1Introduccin a la Fluviomorfologa179

9.2Perfil Longitudinal182

9.3Estado de Equilibrio185

9.4Clasificacin Morfolgica de los Ros187

9.5Cursos de Agua en Rgimen190

9.6Teora del Rgimen191

9.7Mtodo de BLENCH193

9.8Abanicos Fluviales198

9.9Descarga Dominante199

Captulo 1010.1Erosin de Cauces FluvialesEl Fenmeno de la Erosin

201

10.2Origen de la Erosin de los Cauces Fluviales203

10.3Relacin de LANE206

10.4Degradacin del Cauce Aguas Abajo de una Presa208

10.5Proteccin con Espigones212

10.6Erosin en Pilares de Puentes218

xixCaptulo 11 Sedimentacin de Embalses11.1Introduccin223

11.2Factores para la Determinacin del Volumen Muerto229

11.3Consideraciones sobre el Aporte de Slidos230

11.4Problemas en la Apreciacin de la Eficiencia

de Retencin231

11.5El Mecanismo de la Decantacin y su Desarrollo

en el Tiempo234

11.6Peso Especfico de los Slidos Sedimentados235

11.7Consecuencia de la Prdida del Volumen til de

los Embalses238

11.8Mtodos para Aumentar la Vida del Embalse241

11.9Breve Examen de Algunos Casos de Colmatacin

Acelerada242

11.10Comentarios sobre el Problema245

Captulo 1212.1Modelos FluvialesIntroduccin

247

12.2El Criterio de Similitud250

12.3Modelos Fluviales de Lecho Mvil255

12.4Necesidad de un Modelo Fsico257

12.5Confiabilidad de un Modelo Fsico258

Indice de Temas 261

Referencias Bibliogrficas 265

Indice de Figuras

Figura2.1Variacin de Pendientes durante la Erosin25

Figura2.2Cuenca del Ro Amarillo30

Figura2.3Cuenca del Ro Santo Domingo32

Figura3.1Movilidad Fluvial49

Figura3.2Flujo en Curva51

Figura3.3Meandros del Ro Mississippi51

Figura3.4Secciones Caractersticas de un Ro con Meandros52

xx

Figura3.5Evolucin de un Meandro53

Figura3.6Cambios Fluviales producidos por un Barraje56

Figura3.7Variacin del Cauce del Ro Mississippi59

Figura3.8Variacin del Recorrido del Ro Piura60

Figura3.9Variacin del Recorrido del Ro Tumbes66

Figura5.1Modos de Transporte81

Figura5.2Distribucin Vertical de VelocidadesConcentraciones y Fuerza de Corte82

Figura5.3Curva de Distribucin Granulomtrica92

Figura5.4Definicin de Dimetro Efectivo93

Figura5.5Coeficiente de Arrastre CD103

Figura5.6Velocidad de Cada de Esferas de Cuarzo106

Figura5.7Grfico de YALIN para el Clculo de laVelocidad de Cada107

Figura5.8Grfico de SCHULZ108

Figura5.9Relaciones Gasto Lquido-Gasto Slido114

Figura6.1Iniciacin del Movimiento118

Figura6.2Diagrama de SHIELDS121

Figura6.3Diagrama de YALIN125

Figura6.4Diagrama de PETERSON126

Figura6.5Diagrama de LANE128

Figura6.6Fases del Trasporte Slido134

Figura6.7Determinacin de las Fases del Transporte136

Figura6.8Acorazamiento del Lecho138

Figura6.9Composicin Granulomtrica del LechoAntes y Despus del Acorazamiento139

Figura7.1Funcin Transporte146

Figura7.2Curva de Duracin de Caudales Slidos148

Figura7.3Grfico para la Ecuacin de DU BOYS149

Figura7.4Ecuaciones de MEYER-PETER154

Figura7.5Coeficiente de Rizos157

Figura7.6Ecuacin Final de MEYER-PETER158

Figura7.7Ecuacin de EINSTEIN161

xxi

Figura7.8Comparacin de las Frmulas de KALINSKE EINSTEIN, MEYER-PETER y FRIJLINK

163

Figura8.1Distribucin Vertical de Concentraciones169

Figura8.2Distribucin Vertical de Concentraciones en Funcin del Dimetro de las Partculas170

Figura8.3Esquema de Definicin para el Clculo del Gasto

Slido en Suspensin172

Figura8.4Distribucin Proporcional del Gasto Slido en la

Vertical174

Figura8.5Muestreador Cilndrico176

Figura9.1Esquematizacin del Perfil Longitudinal y Secciones

Transversales Tpicas de un Ro183

Figura9.2Estado de Equilibrio186

Figura9.3Clasificacin Morfolgica de los Ros188

Figura9.4Criterio de LANE para distinguir entre Ros

Mendricos y Entrelazados189

Figura9.5Abanico Fluvial198

Figura10.1Balanza de LANE207

Figura10.2Degradacin del Cauce Aguas Abajo de una Presa209

Figura10.3Disposicin Tpica de Espigones en un Tramo

en Curva213

Figura10.4Esquemas Tpicos de Espigones214

Figura10.5Relacin entre la Erosin Local y la Erosin

Generalizada219

Figura11.1Definicin de Trminos para un Embalse segn

ICOLD226

Figura11.2Significado de los Trminos para un Embalse en

Proceso de Sedimentacin228

Figura11.3Influencia de las Series Hidrolgicas235

Figura11.4Variacin del Volumen til con el Tiempo enFuncin del Avance de la Sedimentacin239

Figura11.5Consecuencias de la Disminucin del Volumen til243

xxiindice de Cuadros

Cuadro1.1Distribucin Continental de la EscorrentaMundial segn LIND

3

Cuadro1.2Distribucin Continental de la EscorrentaMundial segn SHIKLOMANOV4

Cuadro1.3Disponibilidad de Aguas Superficiales enAlgunos Pases5

Cuadro2.1Comparacin de Datos Bsicos de Algunos Ros28

Cuadro2.2Erosin Especfica y Valores Caractersticos enSubcuencas del Ro Amarillo36

Cuadro2.3Produccin de Sedimentos de la Cuenca Alta delRo Santo Domingo segn GUEVARA y YAEZ38

Cuadro2.4Origen y Relaciones de la Erosin39

Cuadro5.1Clasificacin de Partculas de Acuerdo a laAmerican Geophysical Union (A.G.U.)91

Cuadro5.2Composicin Mineralgica97

Cuadro5.3Volmenes Anuales de Slidos en Suspensin del Ro Santa112

Cuadro5.4Relacin Porcentual del Transporte Mensual de Sedimentos del Ro Santa113

Cuadro6.1Fuerza Tractiva Crtica en Funcin de laConcentracin127

Cuadro6.2Esfuerzo Cortante Crtico en Funcin del Dimetro130

Cuadro6.3Velocidad Media Crtica en Funcin del Dimetro131

Cuadro6.4Velocidad Media Crtica132

Cuadro11.1Peso Especfico de Sedimentos Depositados enEmbalses137

xxiiiLista de Smbolos Principales

A Amplitud de un meandroA reaa Longitud mayor de una partculaaConstante A1, A2 Constantes BAnchob Longitud intermedia de una partculaB1, B2 Constantesb, b ConstantesC Coeficiente de CHEZYc Constantec Menor longitud de una partculac ConcentracinCD Coeficiente de arrastre (Drag)Ca Concentracin a la distancia a del fondo ch Concentracin a la distancia h del fondo cmax Concentracin mximaD Dimetro de un Pilard Dimetro de una partculadm Dimetro efectivodn Dimetro nominaldc Dimetro de cribadods Dimetro de sedimentacine Escala (de un modelo hidrulico)e Parmetro en las ecuaciones de LACEYeL Escala de longitudesE ErosinE.E Erosin especficaF FuerzaF Nmero de Froudef Coeficiente de DARCYf Parmetro en las ecuaciones de LACEYFb Factor dependiente de la naturaleza del lecho en la frmula de BLENCH

xxivF.F. Factor de formaFs Factor dependiente de la naturaleza de la mrgenes en la frmula de BLENCH

F*cr Parmetro de SHIELDSg Aceleracin de la gravedadh Distancia del fondoK Coeficiente de rugosidad de STRICKLERk Rugosidad absolutaK, K1, K2 ConstantesKm Coeficiente de rugosidad de STRICKLERKr Rugosidad debida al tamao de los granos del fondoKs Rugosidad del lechoKw Rugosidad de las paredesL LongitudLE Longitud de empotramiento de un espignLM Longitud de un meandroln Logaritmo neperianolog LogaritmoLT Longitud de trabajo de un espignn Coeficiente de rugosidad de KUTTERP PermetroQ Gastoq Gasto especficoQo Gasto crtico de iniciacin del movimientoqo Gasto crtico especfico de iniciacin del movimientoqs Parte del gasto slido (especfico) que determina el transporte slido de fondoR Radio hidrulicor Radio de curvaturaRe Nmero de ReynoldsRe* Nmero de Reynolds referido a la velocidad de corte y al dimetro de la partculaS PendienteSE Separacin entre espigonesT Temperaturat Tiempo

xxvTF Gasto slido de fondoTS Gasto slido en suspen sinTT Gasto slido totaltF Gasto slido de fondo especficots Gasto slido en suspensin especficoT"F Gasto slido de fondo pesado bajo aguat"F Gasto slido de fondo (especfico) pesado bajo aguay Tirante (calado)ys Profundidad de socavacinV Velocidad mediaVc Velocidad crticaVh Velocidad a la distancia h del fondoV* Velocidad de corteV VolumenW Pesow Velocidad de cada de una partculawt Velocidad terminal de cada de una partculaX Intensidad de transporteY Intensidad de movimientoZNmero de ROUSE (Parmetro caracterstico de la suspensin)

ngulo Coeficiente Peso especfico del material slido sumergido Espesor de la subcapa laminar p Intervalo en el eje de porcentaje Peso especfico del agua* Intensidad de transporte (EINSTEIN)s Peso especfico de los slidos"s Peso especfico de los slidos pesados bajo el agua Constante de KARMAN Densidad del aguas Densidad de una partcula slida c Fuerza tractiva crticah Esfuerzo de corte a la distancia h del fondo

xxvio Esfuerzo de corte sobre el fondo *c Parmetro de SHIELDS(o )c Fuerza tractiva crtica(o ) c Valor de c para el que las partculas entren en suspensin Coeficiente de rizos Viscosidad dinmica 10-3 mm Viscosidad cinemtica Parmetro de transporte (DU BOYS)* Intensidad de movimiento (EINSTEIN)

xxvii

Captulo 1 Introduccin al Estudio de los Ros

Captulo 1

Introduccin al Estudio de los Ros

1.1 La Escorrenta Mundial

Los ros forman parte del Ciclo Hidrolgico, que como sabemos constituye un proceso que no tiene principio ni fin.Se ha estimado que la precipitacin total sobre los continentes es, en promedio, de 100 000 km3 por ao, lo que equivale a 685 mm anuales. De esta enorme cantidad de agua un elevado porcentaje, el 65%, se evapora y regresa a la atmsfera. De la masa hdrica restante, una parte se infiltra y, eventualmente, da lugar a la escorrenta subterrnea; otra, contribuye al mantenimiento de diversas formas de retencin superficial, y la mayor parte constituye la escorrenta superficial, la que en cifras redondas y como promedio plurianual es de35 000 km3 por ao.En consecuencia, los ros de la Tierra conducen hacia los mares y ocanos una cantidad anual de agua equivalente a35 000 000 000 000 m3. Estimaciones hechas por el U.S. Geological Survey fijan la escorrenta superficial en 1 170 400 m3/s, en tanto que segn el Balance Mundial efectuado por la

1Introduccin a la Hidrulica Fluvial

Arturo Rocha

antigua Unin Sovitica, este valor sera de 1 154 200 m3/s.La escorrenta mundial ha sido cuantificada por varios autores, entre ellos estn LINDH y SHIKLOMANOV, cuyos resultados pueden verse en los Cuadros 1.1 y 1.2. LINDH encontr para la escorrenta mundial un valor de 38 820 km3/ao, que presenta distribuido en siete reas continentales del planeta. Seala adems este autor la importante distincin entre la escorrenta persistente y la no persistente. Este concepto se origina en el hecho de que la escorrenta es muy variable en el tiempo. Cuando se calcula un promedio plurianual hay aos con caudales muy altos, pero poco frecuentes, que contribuyen a levantar el promedio, sobre todo cuando la serie disponible no es muy larga. Ocurre tambin que hay pocas (das) del ao en que los caudales son notablemente altos, pero de muy poca duracin en el tiempo. De ac que slo una parte de la escorrenta mundial puede ser considerada como persistente.Persistente es aquello que dura por largo tiempo. Slo el36 % de la escorrenta mundial resulta ser persistente, segn el estudio de LINDH. El 64 % es no persistente, eventual, espordico, lo que significa que sus posibilidades de aprovechamiento son seguramente difciles y costosas. Sudamrica tiene un poco ms de la cuarta parte de la escorrenta mundial, pero slo el 38% es persistente.SHIKLOMANOV encuentra valores ms altos para la escorrenta mundial; adems incluye la Antrtida y llega as a46 768 km3 por ao.En el Cuadro 1.3 se presenta la disponibilidad de aguas superficiales de algunos pases, incluyendo al Per. Obsrvese que el Per tiene casi el 5% de los recursos hidrulicos superficiales mundiales.Asimismo, la disponibilidad de agua por habitante del Per es una de las ms altas del mundo; es casi diez veces el promedio mundial. En cambio China tiene slo 2 500 m3/hab/ao, valor bastante pequeo y que obliga a un uso y cuidado intensivo de sus escasos recursos hidrulicos.

2

3Introduccin al Estudio de los RosCaptulo 1

CUADRO 1.1

DISTRIBUCION CONTINENTAL DE LA ESCORRENTIA MUNDIAL SEGUN LINDH

Escorrenta km3/ao

REGIONTotalPersistenteEsNo Persistente. PersistenteEsc. Totalx 100Africa4 2251 9052 32045%Asia (sin la ex URSS)9 5442 9006 64430%Australia1 9654951 47025%Europa (sin la ex URSS)2 3621 0201 34243%Norte Amrica5 9602 3803 58040%Sud Amrica10 3803 9006 48038%La ex-URSS4 3841 4102 97432%c

Total continentalsin regiones polares 38 820 14 010 24 810 36% Caudal 1 230 974 m3/s 444 254 m3/s 786 720 m3/s

4Arturo RochaIntroduccin a la Hidrulica Fluvial

CUADRO 1.2DISTRIBUCION CONTINENTAL DE LA ESCORRENTIA MUNDIAL SEGUN SHIKLOMANOV DescargaTerritorio Caudal Anual Porcentaje de la Superfcie Especficamm km3 Escorrenta Total 103 km2 l s-1 km-2

Europa3063 210710 5009,7

Asia33214 4103143 47510,5

Africa1514 5701030 1204,8

Amrica del Norte y3398 2001724 20010,7

Central

Amrica del Sur66111 7602517 80020,9

Australia y Tasmania4534817 6831,4

Oceana1 6102 04041 26751,1

Antrtida1602 230513 9775,1

Total Mundial31446 768100149 02210,0

Caudal1 483 004 m3/s

5Introduccin al Estudio de los RosCaptulo 1

CUADRO 1.3

DISPONIBILIDAD DE AGUAS SUPERFICIALES EN ALGUNOS PAISESCaudal anual medio a largo plazo

Pas

SuperficiePoblacin1Por UnidadPerPorcentaje(%)103 km2106km3de SuperficieCpitadel Caudal (103 m3/km2) (103 m3) Mundial

Brasil8 5121309 2301 0847120,7

La ex-URSS22 2742754 7402131711

Repblica Popular China9 5611 0242 5502672,55,7

Canad9 976252 470248995,6

India3 2887181 6805112,33,8

Estados Unidos de Amrica9 3632341 9402078,34,4

Noruega32444051 250990,9

La ex-Yugoslavia256232561 000110,6

Francia544551833363,40,4

Finlandia3375110326220,2

Total Mundial2 134 800 4 665 44 500 330 9,5

Per+ 1 285 23 2 044 1 591 89 4,61 En 19832 Sin la Antrtida+Datos incorporados por el autor (1998)Introduccin a la Hidrulica Fluvial

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Como puede observarse en los cuadros presentados, los valores no coinciden plenamente. Esto se debe a varios factores y circunstancias. De un lado, cada autor dispone de un conjunto de datos que no es necesariamente igual al del otro. Cada autor tiene su propia metodologa para estimar valores faltantes y totales. Cada autor trabaja con una serie de determinada longitud (aos de registro que ha tenido disponible) y cada autor trabaja en una cierta poca. Tambin debemos tener presente que no siempre coinciden los objetivos y metas de cada evaluacin. A pesar de las consideraciones anteriores los valores encontrados son razonablemente coincidentes y tiles para darnos una idea general de la disponibilidad y distribucin de los recursos hidrulicos superficiales mundiales.La escorrenta es muy variable en el tiempo y en el espacio. Hay regiones del planeta donde la escasez de agua es notable. Se denomina Zonas Aridas, etimolgicamente secas, aqullas en las que el agua es el factor limitante del desarrollo; el agua es, o debe ser, entonces, la variable que controla su planificacin. La escorrenta es tambin variable en el tiempo. Hay periodos de abundancia y periodos de escasez. As son, pues, los caudales de los ros: muy variables en el tiempo y en el espacio.El valor del agua es incalculable, cmo ponerle precio?. El agua es un recurso natural insubstituible para el desarrollo de los pueblos. De ac que el Estado, que es la organizacin poltica de una Nacin en un territorio determinado, proclame como suyos los recursos hidrulicos de su territorio, sin los cuales la tierra no tendra valor.Para poder aprovechar y conservar un recurso es necesario conocerlo. Una parte de esta tarea corresponde a la Hidrulica Fluvial. Nuestros ros son recursos valiosos, son nuestra fuente de vida. Corresponde a la ingeniera hacer que sea posible la utilizacin racional y econmica de los ros.El tema de este libro es, pues, el estudio de los ros desde el punto de vista de su aprovechamiento y control con el fin de contribuir al bienestar de la Humanidad.

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Introduccin al Estudio de los Ros

1.2 El Aumento de las Demandas de Agua

El agua es un recurso escaso que tenemos que aprovechar del mejor modo posible. La poblacin mundial viene creciendo a gran velocidad. En la Edad de Piedra, hace unos 10 000 aos, la poblacin mundial probablemente no pasaba de los cinco millones. Para el ao 2 000 la poblacin mundial llegar a los 6 198 millones, y el ao 2 050 llegaremos a la enorme cifra de 10 000 millones de habitantes.En los ltimos 50 aos la poblacin del Per se ha triplicado. Segn el censo del 11 de Julio de 1993 la poblacin del Per era un poco ms de 22 millones de habitantes.Una de las caractersticas del incremento de la poblacin mundial y nacional es el aumento de la poblacin urbana con respecto a la rural. En el Per el 71% de la poblacin es urbana. Lima, capital de la Repblica, ha crecido enormemente; representa casi el 30 % de la poblacin nacional y tiene slo una proporcin pequesima de los recursos hidrulicos del pas.Esta circunstancia tiene grandes consecuencias desde el punto de vista del aprovechamiento de los recursos hidrulicos en general y de los ros en particular.Hay que tener en cuenta, adems, la naturaleza y composicin de la demanda total de agua, pues si una regin requiere riego, sus demandas totales sern mucho mayores que otra regin en la que los cultivos sean de secano, es decir, slo por lluvia (sin riego).En Espaa, por ejemplo, la escorrenta total, incluyendo un 20 % de aguas subterrneas, es de 110 km3 por ao, lo que da una disponibilidad media de 2 683 m3/hab/ao. Este valor tiene que mirarse junto con el hecho de que Espaa tiene ms de 1 000 grandes presas y 2 500 pequeos lagos y lagunas, lo que facilita el aprovechamiento del agua.En el Per tenemos en 1998 alrededor de 89 000 m3/hab/ao, una cifra altsima, la que, sin embargo, debe mirarse dentro de una gran distribucin espacial y variacin temporal. La costa, donde est ms del 50% de la poblacin, slo tiene el 1,7% de los recursos hidrulicos superficiales del pas.

7Introduccin a la Hidrulica Fluvial

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El problema de la determinacin de las demandas y la asignacin de los recursos hidrulicos para satisfacerlas, no puede independizarse de la creciente escasez de agua a nivel planetario.Es decir, que la escasez tiene que llevarnos al uso racional de lo existente, "El agua de que disponemos en nuestro planeta es algo precioso y que las sociedades actuales no saben valorar", ha afirmado el secretario general de la Organizacin Meteorolgica Mundial de las Naciones Unidas (OMM). Dicha Organizacin ha llamado la atencin acerca del "derroche existente y mala utilizacin de este recurso vital" y ha manifestado que pronto tendremos que saber valorar el agua "ya que la escasez de agua no ser un problema aislado, sino general y repercutir en los distintos sectores econmicos, especialmente en la agricultura" y "la crisis que se avecina se traducir en un aumento de los niveles de pobreza, y en otros casos se dispararn los ndices de contaminacin de las aguas como consecuencia de los vertidos de fertilizantes y productos qumicos en los caudales fluviales".Vivimos en un mundo en el que la poblacin y sus demandas de agua vienen aumentando. Pero los recursos hidrulicos con que contamos no estn aumentando, sino que por el contrario estn disminuyendo, principalmente por la prdida de calidad del recurso. Las demandas de agua aumentan, no slo porque aumenta la poblacin, sino porque aumenta el deseo de mejorar la calidad de vida, lo que implica que cada ser humano tenga ms agua a su disposicin.Una sociedad pobre, en un clima de condiciones duras, tiene que hacer su agricultura exclusivamente de secano, es decir, dependiendo en un alto grado de la irregularidad de las lluvias. En cambio una sociedad opulenta en un clima rido hace obras de irrigacin, regula la escorrenta y ejecuta otras acciones similares que implican consumo de agua. Algo similar puede decirse con respecto a la satisfaccin de las necesidades de agua de las ciudades. A medida que su potencialidad econmica es mayor, demandan ms agua. As se tiene ciudades que consumen varios cientos de litros al da por habitante. El consumo de agua es una medida de la calidad de vida alcanzada.

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Introduccin al Estudio de los Ros

Pero las demandas son crecientes y la disponibilidad de agua es decreciente. As por ejemplo en los aos cincuenta, segn la Organizacin Meteorolgica Mundial (OMM), cada europeo dispona anualmente de 5 900 m3 de agua dulce, para diversos usos. En cambio hacia el ao 2000 slo dispondr de 4 100 m3. En Amrica Latina se pasar para el periodo mencionado, de 105 000 a 28 300 m3 por ao y por habitante. Algo similar ocurrir en los otros continentes.La escasez de agua se agrava debido a los problemas creados por la contaminacin. La prdida de calidad del agua restringe, encarece o impide su uso. El clculo racional de las demandas y el uso justificado del agua son, pues, un imperativo. ISRAELSEN ha afirmado, y debemos recordarlo, que "Ningn hombre tiene derecho a malgastar el agua que otro hombre necesita" .Este aumento de las demandas de agua obliga a recurrir a todas las fuentes posibles. El continuo desarrollo de proyectos de ingeniera para disponer de agua tuvo que empezar con los ms fciles y ms econmicos. Nos toca ahora acometer los proyectos ms costosos y ms difciles. Pero no todo puede resolverse por el lado de la oferta, tambin debemos actuar sobre la demanda. Tiene que haber una poltica de manejo de las demandas, compatible con la disponibilidad de recursos econmicos e hidrulicos. Debe haber, pues, un uso racional del agua, en beneficio de las generaciones presentes y futuras. Debemos marchar hacia una gestin del agua. Todo esto implica un mejor uso de los recursos existentes.Hemos sealado en varias oportunidades que la disminucin de la cantidad de agua disponible se viene originando, no slo por el aumento de la poblacin y sus mayores demandas especficas, sino por la prdida de calidad del recurso. En 1980 el total mundial anual de aguas residuales era de 1 870 km3, de los cuales 308 km3 se producan en Europa y 440 km3 en Estados Unidos. Hacia finales del siglo XX el total mundial de aguas residuales ascender a2 300 km3 por ao.El aumento de las demandas mundiales de agua nos obliga a conocer y aprovechar mejor los ros de nuestro planeta. Esta es una razn importante para el estudio de la Hidrulica Fluvial.

9Introduccin a la Hidrulica Fluvial

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1.3 Aproximacin a la Hidrulica Fluvial

Hay tres grandes ideas que debemos tener presentes al enfrentarnos al estudio de los ros. Las tres ideas son fases de un mismo problema.En primer lugar debemos mirar a los ros como riqueza, como recursos naturales, como fuentes de vida; es decir, como posibilidades de aprovechamiento en beneficio de la Humanidad. As ha sido desde los tiempos ms remotos, cuando el hombre se estableci junto a las fuentes de agua, las aprovech y empez la civilizacin. En los primeros tiempos la utilizacin de los ros se lograba mediante sencillas obras de ingeniera. Hoy, en cambio, se requiere de complejas obras para satisfacer la creciente demanda de agua y de bienestar. Es as como tenemos proyectos de irrigacin, de hidroelectricidad, de abastecimiento poblacional e industrial, de recreacin, as como de control y encauzamiento de ros, que requieren importantes obras de ingeniera relacionadas con la Hidrulica Fluvial. La Hidrulica Fluvial tiene mucho que ver con el comportamiento de importantes estructuras hidrulicas. As, las bocatomas son obras construidas en un ro con el objeto de captar sus aguas para utilizarlas en un proyecto hidrulico. El diseo, construccin y operacin de una bocatoma es importante tema de la Hidrulica Fluvial, pues su implementacin significa una modificacin profunda en el escurrimiento fluvial. Para el aprovechamiento de los ros se recurre tambin a la construccin de presas con el objeto de regular caudales. Cuando las presas estn ubicadas sobre el lecho de los ros representan cambios fluviomorfolgicos importantes, como erosin y sedimentacin. La prdida de volumen til de los embalses y los mtodos de lucha para mantenerlos forman parte de la Hidrulica Fluvial. Hay numerosas estructuras hidrulicas y problemas de diseo muy relacionados con la Hidrulica Fluvial.En segundo lugar debemos mirar a los ros como elementos naturales de los cuales tenemos que defendernos. Las avenidas son fenmenos naturales, producto de la aparicin de determinadas condiciones hidrometeorolgicas. Una inundacin, en cambio, es el desbordamiento de un ro por la incapacidad del cauce para contener el caudal que se presenta. La inundacin es, pues, un

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Introduccin al Estudio de los Ros

fenmeno de tipo hidrulico, prueba de ello es que pueden ocurrir inundaciones sin que haya crecidas o un evento hidrometeorolgico extraordinario. Las obras de control y el tratamiento del problema de las avenidas e inundaciones son parte de la Hidrulica Fluvial.La tercera idea que debemos tener presente con relacin a un ro es su proteccin. Debemos proteger al ro de la agresin humana. Una forma tpica de agresin a los ros, que luego se vuelve contra quien la caus, es la contaminacin. La contaminacin es un fuerte limitante para el uso del agua. La contaminacin es la prdida de pureza del agua como consecuencia de la incorporacin de sustancias extraas. El agua que est en la Naturaleza es prcticamente pura; se contamina cuando entra en contacto con la corteza terrestre y con las acciones humanas (en algunos casos el agua se contamina antes de llegar a la tierra, tal es la lluvia cida). El ro es un gran dren colector de la cuenca, no slo del agua, sino de todo aquello que est en contacto con ella. Los ros conducen las sustancias contaminantes de un lugar a otro. En el Per casi todos los ros estn contaminados. Debemos, pues, luchar contra la contaminacin para que de ese modo sea ms fcil y econmico el aprovechamiento de los ros.Las tres caractersticas sealadas en el estudio de los ros nos hacen ver que la Hidrulica Fluvial tiene que ubicarse dentro del estudio y tratamiento integral de la cuenca.

1.4 Relacin de la Hidrulica Fluvial con otrasDisciplinas

La Hidrulica Fluvial no puede comprenderse ni aplicarse aisladamente de una serie de disciplinas de ingeniera que le son complementarias. As, la Hidrulica Fluvial se ubica dentro de la Hidrulica General y de la Hidrulica de Canales en particular. La Meteorologa y la Hidrologa resultan indispensables para el estudio de una de las fases del fenmeno fluvial. La Geologa, la Geomorfologa y disciplinas afines constituyen fundamento importante para la mejor comprensin del comportamiento fluvial.

11Introduccin a la Hidrulica Fluvial

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La teora del Transporte de Sedimentos resulta indispensable e inseparable de la aproximacin al problema. Toda la informacin que nos da la Hidrulica Fluvial tiene que traducirse en acciones concretas para el diseo, construccin y operacin de estructuras hidrulicas.

1.5 Los Ros del Per. Panorama de suAprovechamiento y Control

Los ros del Per tienen las ms diversas caractersticas y, como ocurre en casi todo el mundo, estn ligados al desarrollo social y econmico del pas.Los hay torrenciales, de fuerte pendiente y corto recorrido, de descargas irregulares y de gran transporte slido, como los ros de la costa peruana. Desembocan al Ocano Pacfico y, ante la ausencia de lluvias tiles, han constituido la base del desarrollo econmico y poblacional de esta parte del pas. El aprovechamiento de las aguas superficiales hizo posible la existencia y supervivencia del antiguo habitante de la costa, desde hace varios miles de aos. Las grandes civilizaciones preincaicas surgieron como consecuencia del aprovechamiento de las aguas superficiales, es decir, de la utilizacin de los ros en obras de riego. As ocurre tambin en la actualidad. En la costa peruana hay unas800 000 hectreas bajo riego, que representan la totalidad del rea sembrada, que existen como consecuencia de la construccin de obras de irrigacin, que representan aprovechamiento de los ros, todo lo que supone el empleo de la Hidrulica Fluvial. Los jvenes torrentes de la costa tienen una marcada tendencia al desbordamiento, a la produccin de inundaciones, debido a la irregularidad de sus descargas, a la disminucin de las pendientes, al manejo del ro y a muchas otras causas que constituyen interesantes temas de la Hidrulica Fluvial. Los asentamientos humanos prehispnicos estuvieron alejados de los ros; en cambio, luego de la conquista se fortalecen los asentamientos urbanos junto a los ros, en sus mrgenes.En la costa los ros son la nica fuente de agua utilizable econmicamente para abastecimiento poblacional e industrial,

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Introduccin al Estudio de los Ros

irrigaciones y recarga del agua subterrnea. En algunos casos tambin son posibles los aprovechamientos hidroelctricos.En la selva, en cambio, hay ros de grandes caudales, pendientes pequeas, largos recorridos y fuerte inestabilidad y tendencia a la variacin de curso. Como all llueve en abundancia (en la selva baja) no se hacen irrigaciones, pero s se aprovechan mucho los ros para la navegacin. Hay una importante tarea en lo que respecta a crear y mantener las condiciones adecuadas para la navegacin y actividades portuarias.En la sierra encontramos ros de variadas caractersticas. Sin embargo, los valles son estrechos, la tierra agrcola es escasa, hay fuerte erosin de cuencas. Hay muchas posibilidades de desarrollos energticos. En la regin altiplnica las pendientes son pequeas.Los estudios efectuados por la antigua ONERN (Oficina Nacional de Evaluacin de Recursos Naturales), hoy INRENA (Instituto Nacional de Recursos Naturales), han permitido identificar1 007 ros en el Per, los que se desarrollan en tres vertientes

Pacf ico381 ros (hasta del 4to orden, 53 ros principales)

At lnt ico564 ros (hasta del 6to orden, 4 ros principales)

Tit icaca62 ros (hasta del 4to orden, 12 ros principales)

Estos 1 007 ros representan en conjunto una masa hdrica anual de 2 044 km3, como puede verse en el siguiente cuadro

VertienteMasa Anual km3/aoCaudal m3/sPorcentaje%

Pacfico351 1101,7

Atlntico1 99963 38897,8

Titicaca103170,5

T otal2 04464 815100,0

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Los ros en general se caracterizan por su movilidad; siguen su camino por accin de la gravedad; el desnivel topogrfico es la causa del desplazamiento del agua. Los ros existen desde hace muchsimo tiempo, desde antes por cierto que existiesen los Estados y los pases. En consecuencia, el territorio, es decir, aquel espacio geogrfico sobre el que el Estado ejerce su dominio, no siempre contiene ntegramente de principio a fin a un curso de agua. Como consecuencia de la demarcacin poltica de los Estados resulta que un lago o un ro queda contenido en dos o ms Estados. Nos encontramos entonces frente a los recursos hidrulicos internacionalmente compartidos.Se dice que un curso de agua es internacional cuando su escurrimiento se produce en ms de un Estado. Se denomina curso de agua internacional a todo curso de agua, canal o lago, que separa o atraviesa los territorios de dos o ms Estados. Obsrvese que el concepto de curso de agua es ms amplio que el de ro y resulta imprescindible para tratar, por ejemplo, la contaminacin.Casi el 99% de los recursos hidrulicos del Per se encuentra de algn modo comprometido internacionalmente: el100% de las cuencas del Atlntico y del Titicaca y un pequeo porcentaje de la cuenca del Pacfico. En muchos casos el Per es el pas de aguas arriba y en algunos otros es el pas de aguas abajo. El hecho de que nuestros ros estn en mayor o menor grado con algn compromiso de tipo internacional tiene consecuencias desde el punto de vista de la Hidrulica Fluvial.

1.6 El Binomio Ro-Ciudad

En todas partes existe una relacin muy fuerte entre el ro y la ciudad que se desarrolla a sus orillas. Londres y el Tmesis, Pars y el Sena, Florencia y el Arno, Iquitos y el Amazonas, Lima y el Rmac, son algunos de los muchsimos binomios que podra mencionarse.El tratamiento que las ms importantes ciudades del mundo dan a los ros que las cruzan es muy variado, dependiendo de diversos factores y circunstancias; as como, por cierto, de las caractersticas hidrulicas, hidrolgicas y sedimentolgicas de cada

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ro.

Introduccin al Estudio de los RosEn general, las grandes y ms importantes ciudades han alcanzado soluciones armnicas para los problemas fluviales, estticos y funcionales.En la bsqueda de soluciones juega un papel importantsimo el carcter de cada ro. Es as como en muchos casos se trata de ros maduros, de rgimen netamente subcrtico y cuya variacin estacional y anual alcanza valores extremos slo en situaciones verdaderamente excepcionales. A la vez, se dispone de orden, recursos y dems elementos que permiten el planeamiento de las acciones de control fluvial.Pero, cuando los ros son jvenes, agresivos, de fuerte e irregular transporte slido y gran diferencia entre sus caudales mnimos y mximos y su tratamiento e incorporacin a la ciudad no ha seguido un plan, entonces los problemas, acumulados durante centurias, se manifiestan en un momento dado de una forma violenta.En la costa peruana tenemos claros y dramticos ejemplos del divorcio que ha existido, a partir de la conquista, entre el desarrollo de la expansin urbana y los problemas fluviales correspondientes. Importantes ciudades se han visto inundadas, sus puentes y vas de acceso destruidos, sus servicios pblicos interrumpidos y toda la vida normal de la poblacin fuertemente afectada.La relacin entre Lima y el Rmac es muy estrecha. Desde sus orgenes Lima no us ms agua que la que exista en el ro Rmac. El control del agua del ro, el control de las bocatomas, era fuente de poder en el antiguo Per, y Lima no era la excepcin. Todo esto tiene que mirarse a la luz de la aridez existente en el rea.Al principio los usos predominantes del ro eran los poblacionales y agrcolas. Posteriormente apareci con fuerza el uso energtico.El Rmac es un tpico torrente costeo con irregulares descargas en el tiempo. En los meses de verano el ro transporta grandes cantidades de slidos provenientes de la erosin de la cuenca.

15Introduccin a la Hidrulica Fluvial

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El ro Rmac es un torrente, una gran quebrada, con fuerte pendiente que en el tramo citadino llega a valores que estn alrededor del 1%. Su rgimen hidrolgico es fuertemente irregular: grandes caudales en los meses de verano y caudales mnimos en los meses de invierno (estiaje). No slo es importante la variacin estacional; hay aos en los que en los meses de verano (marzo, especialmente) el ro alcanza grandes caudales. Es, sin embargo, notorio que los grandes caudales tienen una corta duracin. Este fenmeno es ms intenso en los caudales slidos. Las concentraciones de material en suspensin han alcanzado valores extraordinarios, aun para caudales bajos.El tramo citadino del ro Rmac, desde la fundacin de la ciudad de Lima, ha sido objeto de diversas obras (puentes, bocatomas, encauzamientos, defensas) que no se han ejecutado dentro de un plan de desarrollo, que contemple el binomio ro- ciudad. La consecuencia ha sido que la sucesiva construccin de obras ha alterado profundamente las condiciones naturales del ro creando problemas serios. Es decir, se ha producido la respuesta fluvial frente a las obras realizadas.Una de las caractersticas de la ciudad de Lima es que todo el tramo citadino del ro Rmac se encuentra desprovisto y desvinculado de un tratamiento que lo incorpore a la esttica y funcionalidad de la ciudad.El ro Rmac presenta problemas en casi todo su recorrido, pues el crecimiento de las ciudades ha invadido gran parte del cauce.El crecimiento desordenado de las poblaciones ribereas y sus carencias cvicas y sanitarias hacen que se considere al ro Rmac como un colector de desperdicios al que se arroja basura y todos los residuos de las actividades humanas, lo que dificulta y encarece su aprovechamiento.Otro de los problemas que presenta el ro Rmac en su relacin con las ciudades se encuentra en Chosica. All el cauce del ro ha sufrido estrechamientos importantes, que limitan la caja fluvial y la posibilidad de que el ro ocupe sus reas de inundacin.Esto es un problema que se presenta en muchas partes del pas: la expansin urbana ha ocupado paulatinamente las reas

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Introduccin al Estudio de los Ros

naturales de inundacin de los ros, las que como cauce secundario servan para el escurrimiento temporal de los grandes caudales. En la zona en la que el Rmac atraviesa Chosica las construcciones llegan hasta el borde mismo del ro, sin que ste se encuentre en sus mximos caudales. Hay una seccin en la que el ancho del ro se ha reducido a 17 metros. Todo esto motiva que el ro no tenga cauce secundario y cuando se presentan avenidas y huaicos se producen desbordes.Los problemas del binomio ro-ciudad se presentan en muchas partes del Per. En 1998 el ro Ica inund la ciudad. El ro Piura en algunas oportunidades ha inundado la ciudad del mismo nombre y en 1998 derrib importantes puentes de la ciudad. La ciudad de Tumbes sufre inundaciones del ro del mismo nombre. El nmero de ejemplos podra multiplicarse. Recordemos pues que la planificacin del uso de la tierra es sumamente importante y en ella la Hidrulica Fluvial es un componente importante.Son, pues, numerosos los problemas que presenta el binomio ro-ciudad. La cuenca debe mirarse de un modo integral. La comprensin y el tratamiento de un ro no pueden desligarse de lo que ocurre en su cuenca. Utilizar el agua, defendernos de ella y protegerla de la contaminacin son los elementos fundamentales para planificar el uso del agua de una cuenca. Debe haber, pues, una Autoridad Responsable de las Cuencas en su Integridad, encargada de planificar y coordinar con los diferentes sectores involucrados el manejo integral de la cuenca, comprendiendo lo relativo a su conservacin y mantenimiento, acciones de forestacin, obras de defensa, encauzamiento, mantenimiento de puentes y el aprovechamiento del agua en sus mltiples usos, lo que obviamente incluye el control de la contaminacin, tal como fue sealado por el Colegio de Ingenieros del Per, a travs del Consejo Departamental de Lima, en su Pronunciamiento del 18 de marzo de 1994.

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Capitulo 2 Erosin de Cuencas

Captulo 2

Erosin de Cuencas

2.1 Conceptos Fundamentales deGeomorfologa

THORNBURY en su libro Principles of Geomorphology seala algunos conceptos fundamentales con relacin a la Geomorfologa y, como de algn modo tienen que ver con la hidralica fluvial los resumimos a continuacin.

Concepto 1. Los procesos fsicos que se dan en la actualidad y las leyes que los rigen son fundamentalmente iguales a los que operan desde los tiempos geolgicos, aunque no necesariamente siempre con la misma intensidad que ahora.Este es uno de los principios fundamentales de la geologa,"el presente es la clave para entender el pasado" escribi HUTTON en el siglo XVIII. Sin embargo, la intensidad de estos procesos es variable. Por ejemplo, en el Pleistoceno los glaciares estuvieron mucho ms activos que ahora.Pero, en general, los procesos son fundamentalmente iguales:el agua forma los valles, el viento transporta las arenas, etc.

19Introduccin a la Hidrulica Fluvial

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Concepto 2. Las estructuras geolgicas son factores dominantes del control de la evolucin de las formas terrestres y se reflejan en ellas.El trmino estructura geolgica debe entenderse ac en suacepcin ms amplia. Es decir, no slo como pliegues o fallas, sino como todo aquello que modela las formas terrestres, como por ejemplo las propiedades fsicas y qumicas, la dureza, la capacidad de soportar agresiones qumicas, etc.Las estructuras rocosas son ms antiguas que las formas terrestres que se desarrollan junto a ellas.La influencia de las estructuras geolgicas no siempre es evidente, depende de la habilidad y experiencia del observador. Las fotografas areas nos ayudan a interpretar la evolucin de las formas terrestres.

Concepto 3. Los procesos geomrficos dejan su sello caracterstico sobre las formas terrestres, y cada proceso geomrfico se desarrolla dentro de las formas terrestres existentes (se "ensambla" a ellas).Ac el trmino proceso implica las muchas maneras fsicas yqumicas por medio de las cuales se modifican las formas terrestres. Estos procesos pueden ser endgenos, como vulcanismo y diatrofismo, o exgenos como los provenientes de la erosin o del intemperismo.Cada proceso geomrfico deja su sello caracterstico sobre la superficie terrestre. Es conocido que las terrazas fluviales, un abanico fluvial o un delta, para mencionar algunos ejemplos, son producidos por la accin del agua. Hay numerosos ejemplos que podra citarse (las cavernas son producidas por el agua subterrnea, etc.).Debido a que cada agente geomrfico produce una forma terrestre particular es que es posible hacer una clasificacin gentica de las formas terrestres. Las formas terrestres no se desarrollan, pues, al azar, sino que hay una vinculacin causal entre ellas. Ciertas formas estn asociadas con otras. Conociendo las formas existentes podemos inferir cuales son las que se presentarn en el futuro.

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Erosin de Cuencas

Concepto 4. Al actuar los diferentes agentes de erosin sobre la superfcie terrestre se produce una secuencia de formas que tienen determinadas caractersticas en funcin del estado del proceso general.Este concepto est vinculado al de ciclo geomrfico. El ciclogeomrfico consiste en los varios cambios que una masa de tierra sufre en su configuracin superficial como consecuencia de los agentes externos. Hay, pues, una secuencia ordenada y previsible de formas, y no la aparicin de ellas al azar. De ac los trminos, ms o menos metafricos de ro joven, maduro o viejo, que se usan frecuentemente en Hidrulica Fluvial. Naturalmente que estos conceptos de secuencias temporales no son fcilmente manejables e implican relativismos.

Concepto 5. En la evolucin geomrfica la complejidad es ms frecuente que la simplicidad.Las explicaciones simples son deseables, pero insuficientes(muchas veces, por lo menos). Las formas terrestres que vemos son producto de la combinacin de varios eventos. As, HORBERG, citado por THORNBURY, clasifica los paisajes y formas terrestres de la siguiente manera

Paisaje Simple: es aqul que se origina en un proceso geomrfico nico y dominante.

Paisajes Compuestos: son aqullos cuyo origen se explica en funcin de dos o ms procesos geomrficos. Sin embargo, por lo general hay un proceso dominante. As, el origen de un paisaje puede atribuirse fundamentalmente al agua, pero no debe ignorarse que, por ejemplo, el intemperismo tambin ha desempeado algn papel. Puede haber una formacin de origen claramente hidrulico, pero que tenga partes de origen volcnico.

Paisajes Monocclicos: son aqullos que slo representan un ciclo de erosin.

Paisajes Multicclicos: son aqullos que se originaron en ms de un proceso de erosin.

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Arturo Rocha

Paisajes Redescubiertos: son aqullos que se formaron en una poca geolgica antigua, luego fueron cubiertos y finalmente descubiertos en tiempos geolgicos ms recientes.

Concepto 6. Poca de la topografa actual es ms antigua que elTerciario y la mayor parte no es ms antigua que el Pleistoceno.ASHLEY ha insistido mucho en la juventud de nuestra topografa. El cree que "la mayor parte del paisaje terrestre, montaas, valles, costas, lagos, ros, cadas, acantilados y caones son posteriores al Mioceno, la mayor parte de los detalles topogrficos son de la poca en la que apareci el hombre y pocos o ninguno de los accidentes actuales tienen relacin con las superficies premiocnicas".

Concepto 7. No es posible una correcta interpretacin del paisaje actual sin una apreciacin completa de las muchas influencias geolgicas y climticas ocurridas durante el Pleistoceno.Los cambios ocurridos durante el Pleistoceno (Cuaternarioms antiguo, ya hay restos fsiles humanos) muestran sus efectos en la poca actual. La glaciacin afect directamente unos 26 millones de km2 (10 millones de millas cuadradas), pero la influencia se extendi mucho ms all. Regiones que actualmente son ridas, no lo eran. La invasin del hielo alter profundamente los cauces fluviales. Por ejemplo, el curso actual de los ros Missouri y Mississippi es el resultado de las modificaciones ocurridas durante las glaciaciones. Se alteraron los niveles del mar. Al congelarse el agua superficial disminuy el volumen de los ocanos. Se produjo una disminucin del nivel medio del mar de por lo menos 100 metros y quizs ms. Al derretirse posteriormente los hielos se produjeron importantes cambios en la superficie terrestre.

Concepto 8. Para un correcto entendimiento de los diferentes procesos geomrficos se requiere una apreciacin adecuada del clima mundial.El clima (temperatura y precipitacin, principalmente) tieneuna gran influencia en los procesos geomrficos. Esta influencia puede ser directa o indirecta. Por ejemplo, el clima determina la cobertura vegetal (cantidad, tipo y distribucin espacial).

22Capitulo 2

Erosin de Cuencas

Hay que diferenciar bien las elaboraciones que se han hecho sobre la geomorfologa de las regiones hmedas y la que corresponde a las regiones ridas.

Concepto 9. La geomorfologa se ocupa principalmente de las formas actuales de la tierra, pero tiene un importante papel en el anlisis histrico del paisaje.El estudio de las apariencias que tuvo el paisaje terrestreen el pasado podra llamarse paleogeomorfologa. Por ejemplo, valles preglaciales, ahora cubiertos con materiales glaciales, constituyen fuentes importantes de agua subterrnea.Se trata, pues, de conocer las formas de la tierra que se originaron en fuerzas que ya no existen.

2.2 Procesos y Agentes Geomrficos.Agradacin y Degradacin

Los procesos geomrficos son los cambios fsicos y qumicos que modifican la forma de la superficie terrestre.Un agente geomrfico es un medio natural capaz de remover y transportar los materiales terrestres. Son agentes geomrficos tpicos: la escorrenta superficial, las aguas subterrneas, los glaciares, el viento, los movimientos del agua, como olas, mareas, corrientes y tsunamis. Todos estos agentes se originan fuera de la corteza terrestre por lo que se les designa como agentes exgenos.Los agentes geomrficos remueven materiales de una parte de la corteza terrestre y los trasladan a otra. A los agentes geomrficos antes sealados debe aadirse la accin de los seres vivos: los animales en general y el hombre en particular.Hay otro tipo de agentes geomrficos que se origina en el interior de la corteza terrestre: son endgenos.THORNBURY seala que no hay una nomenclatura nica para designar los procesos geomrficos. Por ejemplo, podra preguntarse si el intemperismo es parte de la erosin o no.Los geomorflogos usan la expresin inglesa "gradation" para designar "todos los procesos que tienden a llevar a un mismo

23Introduccin a la Hidrulica Fluvial

Arturo Rocha

nivel a todos los puntos de la litsfera". "Gradation", que traducimos como gradacin, es un fenmeno general que tiene dos categoras: degradacin y agradacin. La gradacin es la tendencia a la igualacin de niveles.La degradacin (disminucin de niveles, erosin, socavacin) incluye bsicamente tres procesos: intemperismo, prdidas violentas de suelo y erosin en general. El intemperismo consiste en la descomposicin, en la desintegracin, de las rocas en el lugar en el que se hallan.Una forma de degradacin es la prdida violenta de suelos como consecuencia de deslizamientos, avalanchas y huaicos. En el Per la degradacin violenta es importante y frecuente. Resulta ser un concepto indispensable para comprender, por ejemplo, la gran variabilidad temporal del transporte slido fluvial.La agradacin es el proceso contrario. Consiste en la sedimentacin, en el aumento de niveles, en la deposicin de materiales slidos.Desde el punto de vista del estudio de la Hidrulica Fluvial nos interesan mucho los procesos de erosin de la corteza terrestre, pues en el manejo de un ro el transporte slido es muy importante y ste slo puede comprenderse y controlarse en funcin de la erosin de la cuenca.

2.3 La Erosin de Cuencas. Erosin Especfica

Los sedimentos fluviales se originan en la erosin de la cuenca. La erosin es un proceso natural que se desarrolla continuamente desde los tiempos geolgicos y que determina y modela la forma de la corteza terrestre.El Glosario de la Organizacin Meteorolgica Mundial define la erosin como el desgaste del suelo por accin del agua en movimiento, de los glaciares, vientos y olas.FRIJLINK, en su libro Rivers, nos dice que la erosin es el proceso natural de destruccin ("demolition") de la superficie de la Tierra y la remocin por el viento y el agua de los productos resultantes.

24Capitulo 2

Erosin de Cuencas

Como consecuencia de la erosin hay un cambio de la pendiente original del terreno (pendiente endogentica). En algunos lugares hay remocin de materiales y en otros hay sedimentacin. Como consecuencia aparece una nueva pendiente a la que se denomina exogentica, tal como se ve en la Figura 2.1.

Pendiente Endogentica

Pendiente Exogentica

Erosin(Degradacin)

Deposicin(Agradacin)

Figura 2.1 Variacin de Pendientes durante la Erosin

El estudio de la erosin es importante desde el punto de vista de la conservacin de suelos. Y es que la erosin acta permanentemente modificando la apariencia del paisaje terrestre. Estos cambios pueden ser lentos o rpidos, bruscos o paulatinos.La erosin puede originarse a partir de la roca primaria desnuda expuesta a agentes naturales mecnicos, orgnicos y qumicos. La diferencia entre las temperaturas mximas y mnimas produce rajaduras en la roca desnuda. El agua ingresa por las grietas, se congela, se dilata y se produce la fractura de la roca. All puede luego desarrollarse vegetacin y aparecer la accin qumica.El producto de la erosin de la roca forma un talud o cono aluvial junto a la roca desnuda. Este material, que en ingls se llama "debris" (escombros, restos, despojos) es transportado por el agua o el viento hacia los ros, los que lo conducen eventualmente hasta el mar. En los ros este material recibe el nombre de material slido o sedimentos.El material slido que se incorpora a los cauces fluviales puede provenir de deslizamientos, desplomes, etc, e ingresar violentamente, en grandes cantidades, al cauce fluvial.

25Introduccin a la Hidrulica Fluvial

Arturo Rocha

El movimiento de los slidos a lo largo de un ro no es un proceso continuo, sino intermitente. El material es transportado por la corriente hasta un cierto punto donde se deposita. Puede eventualmente ser depositado en las terrazas o reas de inundacin. En un cierto momento, para un determinado caudal, el material depositado es parcialmente erosionado y transportado hasta otro lugar, donde a su vez sedimenta.El proceso se repite y consta de acumulaciones sucesivas de modo que en ciertos ros puede demorar aos, siglos, hasta que el material slido llegue a la desembocadura ("miles de aos", dice FRIJLINK).Un ro est continuamente seleccionando las partculas que erosiona y que sedimenta, y presenta adems capacidad de transporte variable.La corteza terrestre es cambiante a lo largo del tiempo. Las fuerzas tectnicas producen las grandes modificaciones. A ellas se debe los continentes, las islas, las cordilleras. La erosin tiende a igualar niveles. Se ha calculado que las fuerzas erosivas podran en veinticinco millones de aos "convertir a la mayor parte de Amrica del Norte en una vasta llanura de proporciones gigantescas, pero de apenas unos metros sobre el nivel del mar... si las fuerzas tectnicas no contrarrestan estas tendencias, todos los continentes, paulatinamente reducidos a vastas llanuras, tarde o temprano quedarn bajo el nivel del mar. Algunos estudiosos especulan que este proceso es irreversible, pero las fuerzas tectnicas, en cambio, parecen trabajar -en el fondo del Pacfico- en la elevacin de nuevas masas terrestres, para formar nuevos continentes".El agua es el agente erosivo ms importante y poderoso. El agua no slo transporta partculas slidas. Tambin transporta sustancias qumicas que contribuyen al proceso de erosin.LEOPOLD da para la erosin global de nuestro planeta el valor de 2,7 cm cada mil aos. En cambio FOURNIER, citado por FRIJLINK, da como valor 4 cm por centuria. Se ha estimado que los ros de nuestro planeta conducen hacia el mar anualmente30 000 millones de toneladas de materiales slidos. Se ha calculado

26Capitulo 2

Erosin de Cuencas

que en Estados Unidos el ro Colorado lleva diariamente una masa de slidos de 500 000 toneladas. Para apreciar las grandes cantidades transportadas por algunos ros puede observarse el Cuadro 2.1, segn FRIJLINK.Todos estos grandes valores de la erosin tienen que relacionarse con la gran cantidad de agua que precipita sobre la tierra y, sobre todo, con la gran variabilidad temporal que tiene.El agua arrastra muchas veces tierras frtiles por lo que la lucha contra la erosin forma parte de la lucha contra la desertificacin.La cantidad de slidos resultante de la erosin de la cuenca se expresa en unidades de volumen o peso por unidad de rea de la cuenca y por unidad de tiempo (t/km2/ao, m3/ha/ao, etc.). A este valor se le conoce con el nombre de Erosin Especfica (E.E.). As tenemos que en la zona de los Pirineos se ha registrado una erosin especfica de 70 m3/km2/ao, pero en los Alpes el valor sube a valores comprendidos entre 500 y 800 m3/km2/ao. Es interesante citar en este punto, lo sealado por AGUIRRE: "En Venezuela, CURIEL (1965) determin la produccin de sedimentos de diversas cuencas por medio de los datos de mediciones de la concentracin de sedimentos en suspensin durante un largo periodo de tiempo. La mxima produccin de sedimentos correspondi a la cuenca del ro Motatn, muy erosionada, de 4 200 km2 hasta Agua Viva, con una produccin de 2 556 m3/km2/ao. La mnima produccin correspondi a la cuenca del ro Mucujn, con amplia cobertura vegetal, de 129 km2 hasta Valle Grande, con una produccin de 8 m3/km2/ao". Y en el caso de nuestras cuencas tenemos por ejemplo que la cuenca del ro Jequetepeque, de 3 625 km2 hasta la estacin Ventanillas, tuvo una erosin especfica del orden de 800 t/km2/ao (en el periodo 1968-1977). Este valor fue similar en los ros Chira y Huancabamba.En general los valores ms altos de la erosin especfica se registran en cuencas pequeas, de rgimen irregular de lluvias. En ellas hay fuerte erosionabilidad del suelo, y la erosin especfica puede exceder de 10 000 m3/km2/ao.

27

28Arturo RochaIntroduccin a la Hidrulica Fluvial

CUADRO 2.1

COMPARACION DE DATOS BASICOS DE ALGUNOS RIOS

NoNombreArea Drenada km2Longitud kmTransporte Anualde Agua109 m3Transporte Anualde Sedimentos106 tDescargas de Agua m3/s

MximaMnima

1234567891011121314151617181920AmazonasNiloYangtze KiangCongo Missouri Hwang Ho Mekong Nigeria Mississippi VolgaSt LawrenceParan(Plata) Indus Brahmaputra Danubio Zambia Ganges Dnieper IrrawaddyRin7 050 0002 860 0001 830 0003 700 0001 370 000771 000795 0001 890 0003 222 0001 500 000-3 000 000452 000938 0001 165 0001 300 000905 000-415 000162 0006 7006 1005 5804 7004 6604 6304 2004 1003 9703 8903 8003 8003 3002 9002 9002 7002 5802 2702 0001 3203 000857001 400-200400180600250300600200380200500-50520809006097070-2 0008004060025390400-80100-502903200 000-80 00065 00025 50025 00060 00030 00076 500---26 000-10 000-60 000-64 00012 000--5 20027 000-2451 7001 2003 500---490425--1 740-1 310500

Tomado de FRIJLINKCapitulo 2

Erosin de Cuencas

En la Figura 2.2 se observa la cuenca del ro Amarillo (China). Se muestran las curvas que unen los puntos que tienen igual erosin especfica.Dentro de la inmensa cuenca del ro Amarillo est la subcuenca CHING, que tiene un rea de 57 000 km2 y en la que la erosin especfica es de 7 898 t/km2/ao. Es esta una zona con gravsimos problemas de erosin.En Mxico se determin que el 80% del territorio tiene problemas de erosin. La produccin total de slidos, producto de la erosin, es de 500 millones de toneladas por ao. La erosin especfica es de 330 t/km2/ao. Entre las causas que se sealaron para explicar esta gran erosin estn las siguientes: lluvias intensas, desforestacin y monocultivos.

2.4 Tipos de Erosin

Se puede, en trminos estadsticos, hablar de una erosin normal, la que se caracteriza por un progreso lento. Se va alcanzando poco a poco un estado de equilibrio. El tamao de las partculas presenta una distribucin normal (que incluye desde rocas hasta limos). No hay un porcentaje anormal de ningn tamao de partculas. El ro prcticamente est en estado de equilibrio. No hay problemas serios de erosin o sedimentacin.Existe tambin la erosin acelerada, que ocurre cuando se rompen o alteran las condiciones naturales. Puede originarse en diversas circunstancias: cambios en el clima (aumento de temperatura, deshielos, cambio de vegetacin, etc.), accin de fuerzas geolgicas, accin de animales, etc. Sin embargo, la principal y ms frecuente causa de una erosin acelerada est en las acciones humanas.El hombre es el principal destructor de la Naturaleza. La erosin es un proceso natural que puede agravarse por la accin del hombre. Es decir, que se puede pasar de una erosin normal o natural a una erosin inducida. As por ejemplo, la desforestacin, la destruccin de la vegetacin, causa un aumento de la erosin. Sin embargo, este fenmeno slo puede comprenderse dentro de su compleja problemtica socioeconmica.

29Introduccin a la Hidrulica Fluvial

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Figura 2.2 Cuenca del Ro Amarillo. Las lneas unen puntos de igual Erosin Especfica (E.E.) en t/km2/ao.La cuenca del ro Amarillo es de 673 400 km2. Laerosin especfica es de 3 089 t/km2. La concentracin media anual es de 44 kg/m3. La subcuenca Ching tiene el 8% del rea total de la cuenca y produce el22% de los sedimentos de toda la cuenca; su concentracin media es de 252 kg/m3.

30Capitulo 2

Erosin de Cuencas

Hay algunas definiciones sobre tipos de erosin que estn contenidas en el Glosario de Trminos de la Comisin Latinoamericana de Irrigacin y Drenaje (CLAID). Ellas son

Erosin en Crcavas: es la que causa profundas excavaciones en el suelo. Crcava, segn el diccionario, es la "hoya o zanja grande que suelen hacer las avenidas de agua".

Erosin Laminar: es la remocin, por efecto de la lluvia o del escurrimiento de las aguas, de una capa ms o menos uniforme del suelo superficial. Contrasta con la erosin en crcavas. Entre los factores que determinan la intensidad de la erosin laminar estn la precipitacin, las caractersticas de erosionabilidad de los suelos, las caractersticas del terreno (pendiente, longitudes), las caractersticas de los cultivos que puedan existir (o su ausencia) y las medidas de control que pudieran haberse tomado. Para el clculo de la erosin laminar se emplea la Ecuacin Universal de Prdida de Suelos. Para su aplicacin se requiere mediciones de campo.

Erosin en Surcos: es la remocin y prdida del suelo superficial en pequeos canales, ocasionada por el agua.

Erosin Elica: es la separacin, transporte y depsito de suelo por la accin del viento. La remocin y el depsito pueden ser en forma ms o menos uniforme, o como mdanos y dunas localizadas.

Son varios los factores que originan la produccin de sedimentos en una cuenca tropical. Para el ro Santo Domingo, Venezuela, (Figura 2.3) ellas fueron

La erosin laminarLos derrumbes geolgicos (masivos)Pequeos deslizamientos (en el cauce principal y en las quebradas afluentes)Erosin del material depositado en los caucesLa construccin de obras de ingeniera

31Introduccin a la Hidrulica Fluvial

RIO ARACAY1 Subcuenca Alta2 Subcuenca Media3 Subcuenca Baja

RIO PUEBLO LLANO4 Subcuenca Alta y Media5 Subcuenca Baja Norte6 Subcuenca Baja Sur

RIO ALTO SANTO DOMINGO7 Subcuenca Alta8 Subcuenca Media9 Subcuenca Baja

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Area = 419 km2

Figura 2.3 Cuenca del Ro Santo Domingo: descomposicin en subcuencas.(Ver Cuadro 2.3)El embalse sirve para la regulacin diaria de loscaudales que se requieren para la generacin de energa en el "Complejo Hidroelctrico General Juan Antonio Pez" (Venezuela). El volumen total del embalse es de 3 millones de m3 y debe conservarse permanentemente un volumen til de 0,4 millones de m3. Se realizaron intensas acciones para reducir la erosin de la cuenca, cuyo costo se compar con el de la energa que se dejara de producir.

32Capitulo 2

Erosin de Cuencas

2.5 El Viento y los Glaciares como AgentesErosivos

El viento es tambin un agente erosivo importante. El viento acta esencialmente trasladando las partculas slidas, aunque tambin lo hace por abrasin, que es el choque y friccin de las partculas transportadas por el viento con el terreno natural.Se afirma que el viento no siempre tiene una accin negativa. Su accin tambin puede ser benfica, pues contribuye a la formacin de suelos. As por ejemplo, se dice que los "vientos que han soplado por milenios desde el desierto de Gobi, han enriquecido el suelo de China oriental". Igualmente "los vientos que azotaron el valle del Mississippi y varias regiones, a finales de la ltima Edad de Hielo, produjeron los ricos suelos que hoy poseen la zona oriental del bajo Mississippi y varias regiones de los estados de Iowa, Illinois y Missouri".La accin del viento es mucho ms fuerte en las zonas ridas, pues la ausencia de vegetacin hace que la fuerza del viento acte ntegramente sobre el suelo. En algunas regiones del Per las arenas elicas se incorporan a los canales y drenes y producen problemas sedimentolgicos. En algunos proyectos ha sido necesario convertir el canal en un conducto cubierto (para impedir el ingreso de arenas elicas).Los glaciares son agentes erosivos muy destructivos. Los glaciares actuales constituyen restos de la ltima glaciacin (ocurrida hace unos 20 000 aos). "Un glaciar de 300 m de profundidad ejerce una fuerza de aproximadamente 10 toneladas sobre cada metro cuadrado del suelo del valle sobre el que se desliza. A medida que el glaciar avanza, va barriendo consigo el suelo sobre el que se desplaza. Los glaciares de los Alpes avanzan slo un tercio de metro al da, otros en Alaska, llegan a avanzar hasta 12 metros diarios".En los ltimos miles de aos el paisaje terrestre ha cambiado muchsimo. La explotacin de los recursos naturales puede tener consecuencias negativas sobre la conservacin de la corteza terrestre. La bsqueda de fuentes energticas, la desforestacin, la construccin de caminos y ciudades, la minera, en fin mucho de lo que el hombre hace, provoca erosin.

33Introduccin a la Hidrulica Fluvial

2.6 Prevencin de la Erosin

Arturo Rocha

Para prevenir la erosin es importante la conservacin de la vegetacin. Son varios los modos mediante los que la vegetacin disminuye la posibilidad de erosin. As tenemos que la vegetacin

a) Rompe la fuerza de las gotas de lluviab) Retiene parte de la lluvia (quizs hasta 10 mm)c) Conserva el suelo hmedo y absorbented) Mantiene al suelo poroso, por la presencia de races y vida vegetale) Aumenta la resistencia del suelo por la presencia de races f) Representa una resistencia al flujo superficial y aumentael flujo subterrneo.

Es conocido el caso de Hait, donde la tala indiscriminada de los rboles y la destruccin de los bosques trajo como consecuencia que aumente enormemente la erosin con los consiguientes problemas en los ros y cauces.Para ilustrar la importancia de la vegetacin citamos un ejemplo registrado por SCHOKLITSCH. En la cuenca de 518 km2 del ro Santa Ins, California, ocurri una serie de incendios que destruyeron gran parte de la vegetacin y dejaron la cuenca expuesta a la erosin. En el cuadro siguiente se muestra la variacin, a lo largo del tiempo, de los porcentajes de rea verde destruida por los incendios y los valores correspondientes de la erosin especfica

A o sP o rcen ta je (% )E ro s i n E s p ecfica

1922 15,0% 376 m 3 /k m 2 /ao

1927 43,6% 588

1932 60,3% 1 410

En cambio, en el ro Pecos una campaa de forestacin de la cuenca dio por resultado que al cabo de algunos aos la erosin especfica disminuyera notablemente, tal como lo demostraron los valores de la sedimentacin en el reservorio de Mc Millan, a partir de los cuales se dedujo que la erosin baj de 62,5 a 7,5 m3/km2/ao.

34Capitulo 2

Erosin de Cuencas

As como la presencia de vegetacin es importante para la intensidad de erosin hay tambin otros factores. El anlisis e incidencia de cada uno de ellos puede ser bastante complejo. En general los factores determinantes de la erosin son

a) Vegetacin (tipo, cantidad, etc)b) Suelos (caractersticas fsicas, textura, estructura,etc)c) Pendiente de la cuencad) Lluvias (intensidad, cantidad, variacin temporal)e) Acciones humanas (puede ser el ms importante)

2.7 Areas Crticas

Los estudios de erosin de cuencas son largos y costosos, pero resultan indispensables para su aprovechamiento.Para estudiar y tratar una cuenca lo mejor es descomponerla en reas parciales de diferente grado de erosionabilidad. Esto permite identificar las acciones a realizarse para disminuir la erosin. Se busca as la identificacin de las reas crticas.Las Areas Crticas pueden ser definidas de la siguiente manera: porcin de la cuenca que produce una cantidad de sedimentos significativamente mayor que el porcentaje de rea que le corresponde.As por ejemplo, la subcuenca CHING tiene el 8% del rea de toda la cuenca del ro Amarillo, pero produce el 22% de los sedimentos de toda la cuenca. En el Cuadro 2.2 se presenta los valores de la erosin especfica en varias pequeas subcuencas del ro Amarillo. Obsrvese los altos valores que aparecen.La erosin total de una cuenca es igual a la suma de los productos del rea por la erosin especfica de cada una de las partes caractersticas en las que se ha descompuesto la cuenca

11223Erosin total = A x E= A x E

+A x E

+A x E

+......

E es la erosin especfica de toda la cuenca y Ei corresponde a la erosin especfica de cada una de las reas Ai identificadas. Una parte de la cuenca puede tener erosin cero.

335

36Arturo RochaIntroduccin a la Hidrulica FluvialCUADRO 2.2

EROSION ESPECIFICA Y VALORES CARACTERISTICOS EN SUBCUENCAS DEL RIO AMARILLOSUBCUENCAZONA 1ZONA 2PROPORCION ZONA1/ZONA2

AREA (km2)EROSION ESPECIFICA t/km2/aoEROSION ESPECIFICA t/km2/aoAREA%EROSION%EROSION ESPECIFICA t/km2/aoAREA%EROSION%

TUANSHAN TUANYUAN WANGOHIA CHIUYUAN0,180,499,1070,1023 46027 53013 80018 10019 60026 30010 90016 000744560576243475034 50028 50014 20020 70026554143385753501,81,11,31,3

CUENCA CHIUYUAN

FECHATORMENTACHUBASCOSESCORRENTIAEROSION

PRECIPITACION (mm)DURACION (hrs)INTENSIDAD (mm/min)DURACION (min)m3/km2%t/km2% de todo el ao

8 de Agosto 1956

19/20 Agosto 1959

1 de Agosto 1961

5 Julio 1964

19 Julio 196645,1

97,9

57,7

129,1

46,22,40

18,90

3,14

18,81

7,302,0

0,8

3,3

1,1

2,17,0

10,0

10,0

8,0

10,021 100

15 200

32 100

17 200

53 94046,0

35,0

67,2

49,2

85,018 500

12 150

26 200

15 600

29 10050,5

40,4

76,6

58,0

86,5

ZONA 1: Pendientes hasta de 35. Suelos finos, cultivados ZONA 2: Pendientes entre 45 y 60. Tendencia a deslizamientosCapitulo 2

Erosin de Cuencas

En Venezuela se hizo un estudio detalladsimo de la cuenca del ro Santo Domingo, identificndose no slo las subcuencas de mayor produccin de sedimentos, sino tambin las fuentes de erosin potencial. Se estudi cada crcava y rea crtica en un trabajo que puede decirse se realiz hectrea por hectrea. En la Figura 2.3 se muestra la cuenca del ro Santo Domingo y en el Cuadro 2.3 se ven los valores de la erosin especfica. La erosin especfica media de toda la cuenca fue de 411 t/km2/ao.En el Cuadro 2.4 titulado Origen y Relaciones de la Erosin, preparado por la Empresa de Energa Elctrica de Venezuela, se muestra esquemticamente la secuencia de la erosin y sus consecuencias.

2.8 La Erosin en el Per

En el Per es notable la destruccin de la cobertura vegetal en muchas cuencas. Esto agudiza los estiajes y avenidas e incrementa las cantidades de slidos transportadas por los ros. El ro Zaa, por ejemplo, tiene una cuenca con amplia cobertura vegetal. En ella la erosin especfica es muy pequea, del orden de 60 toneladas por ao y por kilmetro cuadrado, es decir, menos del 10% de la que se presenta en su cuenca vecina, Jequetepeque.Como ejemplo de mala conservacin de cuencas, citamos a continuacin unos prrafos de una publicacin ecuatoriana sobre los ros Puyango-Tumbes y Catamayo-Chira."Las dos cuencas se hallan afectadas por una desforestacin casi catastrfica, que se debe a factores socio- econmicos de la poblacin asentada en ellas. El afn de buscar tierras para la agricultura y ganadera, sin direccin y consejo tcnico alguno, permiti que nuestros campesinos del austro subieran hasta las mismas crestas de las montaas dispuestos a talar inmisericordemente la foresta primitiva. Tal desforestacin sumada a las psimas prcticas en el uso de las tierras, constituyen la causa de que las aguas pluviales que se precipitan sobre la cordillera, escurran violentamente sobre los cauces abriendo crcavas y arrancando la capa vegetal, pues el efecto de retencin

37

38Arturo RochaIntroduccin a la Hidrulica Fluvial

CUADRO 2.3

PRODUCCION DE SEDIMENTOS DE LA CUENCA ALTA DEL RIO SANTO DOMINGO, SEGUN GUEVARA Y YAEZCuenca/SubcuencaErosin Laminar t/aoErosinLocal t/aoErosinTotal t/ao%Area km 2Erosin Especfica t/km2/ao

ARACAY: AltaMediaBaja

13 11235 12013 076

5 9598 7801 243

19 07143 90014 319

11268

36369

5301 2191 591

SUBTOTAL61 30815 98277 2904581954

PUEBLO LLANO: Alta-MediaBaja-NorteBaja-Sur

6 39710 75310 804

1 0831 8095 636

7 48012 56216 440

4710

285018

267251913

SUBTOTAL27 9548 52836 4822196380

ALTO