Ciencia, Ingenierías y Aplicaciones, Vol. 6, No. 2, julio-diciembre, 2023 ISSN (impreso): 2636-218X • ISSN (en línea): 2636-2171 • Sitio web: https://revistas.intec.edu.do/

EVALUACIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN CAUCES PEQUEÑOS Y MEDIANOS: CASO DE ESTUDIO EN EL DEPARTAMENTO DEL CESAR (ARROYO SAN ANTONIO)

Evaluation of sediment transport in small and medium-sized channels. Case study in the department of Cesar: San Antonio stream

DOI: https://doi.org/10.22206/cyap.2023.v6i2.2892

HÉCTOR ALFONSO RODRÍGUEZ DÍAZ^*a, MARÍA FERNANDA LATOUCHE^b Y ANDRÉS HUMBERTO OTÁLORA CARMONA^c

^a Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, Bogotá, Colombia. ORCID: 0009-0006-7214-9895, Correo-e: alfonso.rodriguez@escuelaing.edu.co

^b Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, Bogotá, Colombia. ORCID: 0009-0001-4665-5913, Correo-e: maria.latouche@escuelaing.edu.co

^c Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, Bogotá, Colombia. ORCID: 0009-0006-7214-9894, Correo-e: andres.otalora@escuelaing.edu.co

Recibido: 10/07/2023 • Aprobado: 28/10/2023

Cómo citar: Rodríguez Díaz, H. A., Fernanda Latouche, M., Otálora Carmona, A. H. (2023). Evaluación del transporte de sedimentos en cauces pequeños y medianos. Caso de estudio en el departamento del Cesar: arroyo San Antonio. Ciencia, Ingenierías y Aplicaciones, 6(2), 53–80. https://doi.org/10.22206/cyap.2023.v6i2.2892

1. Introducción

Se entiende por sedimentos todas las partículas de suelo y roca de una cuenca que son arrastradas y transportadas por una corriente de agua (Maza Álvarez & García Flores, 1998). Los sedimentos transportados por un cauce pueden provenir de dos fuentes (Rodríguez Díaz, 2010): de la cuenca, generados por la erosión de la superficie del terreno de la cuenca hidrográfica, debido a la acción del viento y la lluvia, o del lecho, producidos por la erosión del cauce principal y sus tributarios. Los sedimentos provenientes del material del lecho del cauce son transportados a lo largo del río por arrastre, y periódicamente se pueden transportar en suspensión debido a la turbulencia del flujo. Los que provienen de la cuenca son los materiales más finos y, por lo tanto, se transportan únicamente en suspensión.

La hidrodinámica natural de los ríos mantiene un equilibrio dinámico (Brils, 2008). Los cauces y las llanuras de inundación de los ríos se ajustan constantemente a la cantidad de agua y sedimentos suministrados por la cuenca. En la actualidad, la mayoría de los cuerpos de agua en el mundo (ríos, embalses y lagos) ya no se encuentran en su estado morfodinámico natural, debido a las intervenciones antrópicas tanto en la cuenca como en el río (Wieprecht et al., 2016). Estas actividades humanas (la construcción de represas, el desarrollo de actividades mineras, la modificación de los usos y las coberturas del suelo para la realización de diversas actividades económicas, la explotación de materiales aluviales) modifican los procesos de transporte de sedimentos, alterando el equilibrio natural de los cauces y generando problemas tanto en los sitios intervenidos como aguas abajo (González Parra & Moreno Barco, 2022).

Para evaluar el transporte de sedimentos se han utilizado varios modelos matemáticos, con el fin de identificar procesos de sedimentación y erosión en los cauces. El software HEC-RAS, desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos, es uno de los modelos más empleados para este tipo de evaluación (Joshi et al., 2019; Dahl et al., 2018; Chevalier et al., 2021, y Tarar et al., 2019). En Colombia se han realizado modelaciones de transporte de sedimentos del río Sinú con el modelo EFDC (Torres-Bejarano et al., 2022), del río Cauca con MIKE11 (Ramírez et al., 2011) y del río Magdalena con IBER (Calderón Colorado, 2021).

En el modelo de transporte de sedimentos de HEC-RAS se deben definir condiciones de fronteras hidráulicas, que aguas arriba corresponden a una serie de caudales con un intervalo de tiempo definido, siendo generalmente los caudales diarios los más utilizados (Torres-Bejarano et al., 2022; Ramírez et al., 2011; Joshi et al., 2019, & Dahl et al., 2018). Para la condición de frontera aguas abajo, dependiendo de la información disponible, se han empleado series de niveles de la lámina de agua (Calderón Colorado, 2021; Joshi et al., 2019; Dahl et al., 2018, & Horvat & Horvat, 2020), la curva de calibración de caudal-nivel de la lámina de agua (Ramírez et al., 2011) y la profundidad normal (Hummel et al., 2012). Además de la información hidráulica, el modelo necesita información de sedimentos, cuya condición inicial corresponde a la granulometría del material del lecho, con la cual determina el potencial de transporte de sedimentos. La condición de frontera de sedimentos aguas arriba más utilizada es una curva de calibración entre caudal líquido y caudal sólido (Joshi et al., 2019; Dahl et al., 2018; Chevalier et al., 2021, & Horvat & Horvat, 2020).

El caudal sólido está compuesto por el material transportado por arrastre y el material en suspensión. El aforo del material en suspensión es relativamente sencillo; sin embargo, resulta difícil tomar muestras representativas del material por arrastre (Food and Agriculture Organization of the United States [FAO], s.f.), razón por la cual normalmente se tienen más datos del caudal sólido en suspensión que del sólido por arrastre. Entre las estrategias empleadas para completar la información de caudal sólido por arrastre faltante están determinar el caudal sólido por arrastre como carga de equilibrio a partir de ecuaciones de potencial de transporte (Calderón Colorado, 2021, & Dahl et al., 2018), asumir el caudal sólido por arrastre como un porcentaje del caudal sólido en suspensión (Tarar et al., 2019), y si las características del sistema fluvial lo permiten, asumir que el caudal sólido por arrastre es despreciable en comparación con el caudal sólido por suspensión y tener en cuenta únicamente este último (Chevalier et al., 2021). La calibración del modelo consta de dos partes: calibración hidráulica y calibración del transporte de sedimentos. La primera se hace generalmente modificando el valor del coeficiente de rugosidad n de Manning, hasta que los niveles de la lámina de agua simulados sean similares a los medidos (Horvat & Horvat, 2020). Posteriormente, se puede hacer la calibración del transporte de sedimentos comparando los cambios de la elevación del lecho del cauce simulados con batimetrías históricas (Ramírez et al., 2011; Dahl et al., 2018; Tarar et al., 2019, & Hummel et al., 2012), o comparando la carga de sedimentos modelada con la carga de sedimentos medida (Joshi et al., 2019; Horvat et al., 2021, & Horvat & Horvat, 2020).

2. Zona de estudio

El arroyo San Antonio es un cauce aluvial cuya cuenca se encuentra dentro del área del proyecto minero La Loma, en la parte sur del departamento del Cesar (Figura 1).

En el año 2018, la ampliación del tajo de explotación minera hacia el sur del proyecto exigió que se construyera el realineamiento N.º 4 del arroyo San Antonio, que corresponde a la condición actual (Centro de Estudios Hidráulicos de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, 2022). El tramo del arroyo desde el embalse Paujil hasta la entrega del realineamiento N.º 4 se caracteriza por ser unicanal, con una sinuosidad relativamente baja; en el transporte de sedimentos por el canal dominante prevalece la carga de lavado. La carga del material del lecho es baja y está conformada por material granular de tamaño fino a medio. En este tramo, tres afluentes (caño Piedras, caño NN y caño Melánquez) descargan sus aguas al realineamiento N.º 4 del arroyo San Antonio (Figura 2).

Debido a las condiciones de la operación minera, el Centro de Estudios Hidráulicos de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito realizó en el año 2022 el diseño del canal del realineamiento definitivo del arroyo San Antonio, que corresponde a la condición futura. Este nuevo diseño comienza en las coordenadas 1065529.80E y 1544559.32N, y entrega al cauce natural del arroyo San Antonio en las coordenadas 1062020.42E y 1547510.99N, aguas abajo del proyecto minero (Centro de Estudios Hidráulicos de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, 2022). A continuación, se muestra un esquema de la ubicación actual del cauce (realineamiento N.º 4 del arroyo San Antonio) y del realineamiento definitivo proyectado (Figura 2).

Con el fin de comparar la dinámica del transporte de sedimentos en el realineamiento definitivo con el que se presenta actualmente en el cauce, se elaboraron dos modelos: uno para la condición actual y otro para la condición futura. A renglón seguido se presentan el proceso de elaboración y las consideraciones de las modelaciones.

3. Metodología

En general, HEC-RAS necesita tres tipos de archivos para construir el modelo de transporte de sedimentos: archivo de geometría, archivo de caudales y archivo de información de sedimentos. En este estudio se utilizó la versión 6.2 de HEC-RAS y se elaboró un modelo para la condición actual del arroyo San Antonio, el cual se calibró a partir de información medida en campo. Con base en los parámetros establecidos en la anterior calibración se elaboró un nuevo modelo para la condición futura, correspondiente al realineamiento definitivo del arroyo San Antonio. A continuación, se presenta un diagrama con la metodología usada (Figura 3).

4. Modelo para la condición actual. Realineamiento N.º 4 del arroyo San Antonio

La generación de la geometría del modelo en HEC-RAS de la condición actual se realizó a partir de un modelo de terreno que se construyó utilizando el levantamiento Lidar de la zona minera, e información de levantamientos batimétricos efectuados sobre el canal del realineamiento N.º 4 del arroyo San Antonio. Con este modelo y las herramientas RasMapper y ArcGIS se generaron las secciones transversales del modelo hidráulico de la condición actual (Figura 4). Para definir los coeficientes de rugosidad de Manning se emplearon los mapas de cobertura vegetal hechos en la zona minera y los mapas de uso del suelo y tipo de suelo disponibles en el Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC).

El modelo hidráulico de la condición actual se calibró con base en los resultados de aforos líquidos hechos en el arroyo San Antonio, en el cual se compararon los niveles de la lámina de agua medidos y los niveles modelados. La variable que se modificó para ajustar los valores modelados fue el coeficiente de rugosidad de Manning. Con base en las simulaciones se determinó que el menor error entre los niveles medidos y simulados se obtenía con un factor K de 1,4.

En la primera sección aguas arriba del tramo modelado se encuentra una estación limnimétrica (LM45), la cual cuenta con una serie de caudales diarios para un periodo de 17 meses. Estos caudales se limitaron para que los que se ingresaran al modelo no superaran el caudal dominante (5,5 m3/s), con el propósito de analizar los procesos en el cauce principal. Con base en los estudios hidrológicos efectuados y en la serie de caudales líquidos de la estación LM45, también fue posible generar series de caudales en las entregas de los afluentes del sistema. Estas series se extendieron para un periodo de diez años, con el objeto de analizar los procesos de sedimentación y erosión generados en el cauce (Centro de Estudios Hidráulicos de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, 2022). A continuación, se pueden observar las series de caudales generadas (Figura 5).

Como condición de frontera para el transporte de sedimentos, en la sección aguas arriba del sistema se dispuso una curva de calibración que relaciona el caudal líquido con el caudal sólido transportado, con base en la información disponible. Generalmente, las curvas de calibración de caudales sólidos y líquidos pueden aproximarse a una función potencial, como se muestra en la ecuación, donde Q_s es el caudal sólido y Q_l es el caudal líquido.

$$Q_s=a{Q}_l^b\mathrm{ (1)}$$

Adicionalmente, es necesario incluir la granulometría del sedimento transportado para cada caudal sólido. La calibración del modelo de transporte de sedimentos de la condición actual se hizo comparando el valor del coeficiente a y el exponente b de la curva obtenida en la estación limnimétrica ubicada aguas abajo del modelo (LM28), con los valores de a y b de la curva elaborada con los caudales sólidos obtenidos de la modelación en la sección 193 del modelo, teniendo en cuenta que es la sección más cercana a la estación LM28. Este procedimiento se realizó utilizando las ecuaciones de carga total de Toffaleti, Laursen-Copeland y Ackers-White. Seguidamente, se muestran los caudales sólidos y líquidos medidos y simulados en la estación limnimétrica situada aguas abajo del modelo (Figura 6).

La curva de calibración obtenida de la simulación usando la ecuación de Toffaleti es la que presenta el menor error con los parámetros a y b, obtenidos de la curva construida con los datos medidos.

5. Modelo para la condición futura. Realineamiento definitivo del Arroyo San Antonio

Después de calibrar el modelo de la condición actual, fue posible elaborar el modelo de la condición futura. Se definió que la granulometría del material del lecho para la condición futura es igual a la granulometría del material del lecho para la condición actual. La generación de la geometría del modelo en HEC-RAS de la condición futura se realizó con el modelo de terreno, las superficies 3D del canal de realineamiento definitivo y los levantamientos batimétricos del cauce natural. Al igual que en el modelo hidráulico de la condición actual, las secciones transversales para el modelo hidráulico de la condición futura se generaron empleando las herramientas RasMapper y ArcGIS, así como el modelo de terreno elaborado anteriormente. Para definir los coeficientes de rugosidad de Manning se utilizó la superficie de coeficientes de Manning ajustada en la calibración del modelo de la condición actual. A continuación, se muestra la geometría en planta del modelo de la condición futura (Figura 7).

Con el objetivo de analizar los cambios que se producirían en el realineamiento definitivo de la condición futura, en este modelo de transporte de sedimentos se usaron los mismos caudales definidos en el modelo de la condición actual (Figura 5). Para la condición de frontera aguas arriba se utilizó la curva de calibración que relaciona el caudal líquido con el caudal sólido que se empleó en el modelo de la condición actual, con la respectiva granulometría del sedimento transportado para cada caudal líquido. Como función de transporte y como método de estimación de velocidad de caída, se seleccionó la ecuación de Toffaleti. Como método de acorazamiento se escogió Thomas (Ex5), debido a que esta fue la combinación definida en la calibración del modelo de transporte de sedimentos de la condición actual.

6. Resultados

En este apartado se presentan los resultados y los análisis del modelo de transporte de sedimentos de la condición actual y de la condición futura. Se usaron los resultados de los modelos ejecutados para uno, cinco y diez años de la simulación, con el fin de analizar la evolución de los cambios en los perfiles longitudinales y en las secciones transversales en el tiempo.

Perfiles longitudinales

En la figura siguiente se muestra la evolución de la elevación del fondo del canal para la condición actual y para la condición futura. En ambos casos se aprecia la forma como el sistema busca una pendiente de equilibrio, mediante procesos de erosión y sedimentación (Figura 8).

Así mismo, para cada periodo de simulación se aprecia el cambio relativo en las cotas del fondo del canal para la condición actual y para la condición futura (Figura 9). En la condición actual, el sistema tiende a erosionar el fondo del cauce en el tramo inicial del realineamiento N.º 4 del arroyo San Antonio y a depositar los sedimentos en el tramo final, para obtener la pendiente de equilibrio del sistema. En la condición futura, la pendiente con la que se diseñó el realineamiento definitivo de este arroyo es más cercana a la pendiente de equilibrio del cauce, por lo que se esperaría, con base en las modelaciones, que la magnitud de los procesos de sedimentación y erosión fuera menor.

A continuación, se muestra el cambio en peso total del material del lecho a lo largo del cauce. Como son valores acumulados, la lectura de estas gráficas se hace de derecha a izquierda. Si la pendiente de la gráfica es negativa, significa que el tramo se está erosionando, y en el caso contrario, si la pendiente es positiva, significa que se está sedimentando. El corte de las curvas con el eje vertical representa el cambio total en peso del tramo en estudio (Figura 10).

Con base en los resultados y análisis de tres figuras anteriores (figuras 8, 9 y 10), los patrones de los procesos de sedimentación y erosión en la condición actual y la condición futura son similares. Teniendo en cuenta la pendiente del lecho, aguas arriba el cauce se erosiona y aguas abajo tiende a sedimentarse. La pendiente longitudinal del cauce de la condición futura, es decir, del realineamiento definitivo del arroyo San Antonio, es muy parecida a la pendiente de equilibrio dinámico del cauce (Centro de Estudios Hidráulicos de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, 2022).

Secciones transversales

Con el objetivo de analizar los posibles cambios producidos por el realineamiento definitivo del arroyo San Antonio, se compararon los resultados obtenidos en los tramos coincidentes de los modelos de la condición actual y de la condición futura. Se compararon tres secciones aguas arriba y cinco secciones aguas abajo del tramo intervenido (Centro de Estudios Hidráulicos de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, 2022) (Figura 11).

A renglón seguido se presentan los cambios relativos en la cota del fondo del cauce, obtenidos de las simulaciones hechas para la condición actual y para la condición futura. Un cambio negativo significa que hubo erosión en el cauce principal y un cambio con signo positivo indica sedimentación (Tabla 1).

Se observa que, en general, tanto para la condición actual como para la condición futura, las secciones transversales presentan pequeños cambios, debido a la sedimentación y la erosión propias de la dinámica del sistema. Las secciones 386 (condición actual) y 3360 (condición futura) corresponden a la entrega (aguas abajo) del realineamiento N.º 4 del arroyo San Antonio al cauce natural (Tabla 1).

En esta zona, tanto para la condición actual como para la condición futura, se presentan mayores procesos de sedimentación, debido a que la dinámica del río busca generar su pendiente de equilibrio. La ubicación de estas secciones en el perfil longitudinal del cauce se presenta seguidamente (Figura 12).

Así mismo, se muestran las secciones transversales aguas arriba del inicio del realineamiento definitivo del arroyo San Antonio (Figura 13), al igual que las secciones aguas abajo de donde actualmente entrega el realineamiento N.º 4 del arroyo San Antonio, sobre el cauce natural (Figura 14) (Centro de Estudios Hidráulicos de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, 2022).

En general, los resultados obtenidos permiten observar que los cambios en las secciones transversales que ocurrirían en la condición futura son similares a los que se producirían si la condición actual se mantuviera en operación. Sin embargo, es necesario hacer un monitoreo permanente, con el propósito de ajustar el modelo y ejecutar el mantenimiento del cauce del realineamiento definitivo del arroyo San Antonio.

7. Conclusiones

Se requiere conocer en detalle la información de campo disponible para elaborar el modelo de transporte de sedimentos. Generalmente, la información de aforos sólidos del material transportado es muy limitada, por lo que se necesita adoptar alguna estrategia para completarla. Cuando se tiene en cuenta el caudal sólido total medido que ingresa al sistema, es posible construir una curva de calibración de caudales sólidos vs. caudales líquidos para la condición de frontera de transporte de sedimentos, que es una de las condiciones más utilizadas en este tipo de análisis. Adicionalmente, para cada caudal sólido medido se requiere construir una curva granulométrica compuesta, que represente la granulometría del material transportado por arrastre y la granulometría del material en suspensión.

Los resultados de las simulaciones de transporte de sedimentos son muy sensibles a la función de transporte escogida, ya que son ecuaciones empíricas desarrolladas para condiciones particulares, por lo que se deben tener en cuenta para usar la que mejor se adapte a las características del sistema en estudio.

Con el modelo de transporte de sedimentos se simulan los caudales que se espera que circulen en el cauce para estimar los cambios en su perfil y sus secciones transversales. En general, se pueden obtener los siguientes resultados que permitirían analizar la evolución del cauce (Centro de Estudios Hidráulicos de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, 2022):