Tesis
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Tesis
DOCTORADO EN INGENIERÍA
Comportamiento Morfológico,
Hidráulico y Sedimentológico del
Sistema Cauce Principal (Paraná) y
Secundario (Colastiné)
FICH
FACULTAD DE INGENIERÍA
Y CIENCIAS HÍDRICAS
INTEC
INSTITUTO DE DESARROLLO TECNOLÓGICO
PARA LA INDUSTRIA QUÍMICA
Título de la obra:
Comportamiento Morfológico, Hidráulico y Sedimentológico del
Sistema Cauce Principal (Paraná) y Secundario (Colastiné)
Palabras Claves:
Comportamiento Morfológico,
Hidráulico y Sedimentológico del
Sistema Cauce Principal (Paraná) y
Secundario (Colastiné)
Lucas Dominguez Ruben
2018
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S3000, Santa Fe, Argentina
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL LITORAL
Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas
Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química
Lugar de Trabajo:
FICH-UNL
Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas
Universidad Nacional del Litoral
Director:
Dr. Ricardo Nicolás Szupiany FICH-UNL
Co-director:
MSc. Hector Daniel Farias FCEyT- UNSE
Jurado Evaluador:
Dr. Oscar Orfeo CECOAL-CONICET
Dr. Francisco Pedocchi IMFIA- UdeLaR, Uruguay
Dr. Pablo Tassi R4D-LHSV, Francia
Dr. Carlos Vionnet FICH-UNL
2018
DECLARACIÓN LEGAL DEL AUTOR
ABSTRACT............................................................................................................... V
ÍNDICE DE FIGURAS............................................................................................. VI
ÍNDICE DE TABLAS............................................................................................... X
I
3.4.3 Módulo de comprobación ....................................................................................... 50
3.5 Aplicación y validación ..................................................................................................52
3.6 Conclusiones ................................................................................................................... 56
CAPÍTULO 4: Dinámica Hidrosedimentológica en Zona de Embocadura del río Colastiné
.................................................................................................................................................... 58
4.1 Introducción .................................................................................................................... 58
4.2 Sitio de estudio y relevamientos de campo ...................................................................60
4.3 Modelación Numérica ....................................................................................................63
4.3.1 Modelo Digital del Terreno (MDT) .......................................................................63
4.3.2 Malla de Elementos Finitos, dominio computacional ...........................................64
4.3.3 Condiciones de borde modeladas y calibración del modelo .................................66
4.3.4 Análisis multitemporal ............................................................................................ 68
4.4 Resultados ....................................................................................................................... 69
4.4.1 Relevamientos de campo. Morfología ...................................................................69
4.4.2 Características de formas de fondo ........................................................................71
4.4.3 Análisis granulométrico .......................................................................................... 72
4.4.4 Distribución de caudales y estructura de flujo ....................................................... 74
4.4.5 Sedimento suspendido ............................................................................................. 80
4.4.6 Modelación numérica .............................................................................................. 84
4.4.7 Evolución morfológica de la zona de estudio ........................................................ 97
4.5 Conclusiones ................................................................................................................... 98
CAPÍTULO 5: Morfología, Estructura de Flujo y Transporte de Sedimento Suspendido
sobre el río Colastiné...............................................................................................................101
5.1 Introducción ..................................................................................................................101
5.2 Corrientes secundarias en cauces meandriformes. Marco teórico .............................103
5.2.1 Métodos para la identificación de las corrientes secundarias .............................105
5.3 Tramo de estudio. Características generales ...............................................................107
5.4 Metodología de mediciones .........................................................................................109
5.5 Resultados .....................................................................................................................112
5.5.1 Características morfológicas del fondo ................................................................112
5.5.2 Granulometría ........................................................................................................115
5.5.3 Estructura del flujo ................................................................................................116
5.5.4 Transporte de sedimento suspendido. Interacción con el flujo...........................130
5.6 Consideraciones adicionales ........................................................................................136
5.7 Conclusión .....................................................................................................................139
CAPÍTULO 6: Influencia de las corrientes secundarias sobre el sedimento suspendido.
Evaluación de un modelo numérico. ......................................................................................142
6.1 Introducción ..................................................................................................................142
6.2 Marco teórico ................................................................................................................144
II
6.2.1 Conceptos generales sobre la modelación de sedimentos suspendidos .............144
6.2.2 Métodos de corrección de corrientes secundarias aplicados en TELEMAC 2D
..........................................................................................................................................146
6.3 Metodología ..................................................................................................................148
6.3.1 Evaluación de expresiones empíricas para el cálculo de ET ...............................151
6.4 Resultados .....................................................................................................................152
6.4.1 Mediciones de campo: Estructura de flujo y sedimento suspendido..................152
6.4.2 Modelación numérica hidrodinámica 2D y 3D. Comportamiento de velocidades
medias ..............................................................................................................................159
6.4.3 Transporte de sedimento suspendido. Modelación 2D .......................................161
6.4.4 Transporte de sedimento suspendido. Modelación 3D .......................................162
6.4.5 Comparación de resultados ...................................................................................165
6.5 Conclusiones .................................................................................................................169
CAPÍTULO 7: Conclusiones generales .................................................................................171
7.1 Herramienta de procesamiento de variables hidrosedimentológicas .........................171
7.2 El río Colastiné y su vínculo con el cauce principal del Paraná. ...............................172
7.4 Comportamiento morfológico, hidráulico y sedimentológico del río Colastiné ......174
7.5 Recomendaciones y futuras líneas de investigación ...................................................177
Lista de símbolos .....................................................................................................................178
REFERENCIA ........................................................................................................................182
III
RESUMEN
IV
ABSTRACT
In anabraching systems like the Paraná in its middle reach, characteristic geomorphological
structures are secondary channels, which play a key role in the filling of the floodplain
dynamics. They also link the mean channel with riverine settlements into the alluvial plain.
The Colastiné River is an excellent example, with a meandering planform and a high
width/depth relation (B/H>50). Centered in this relation (B/H), most of studies in the
international literature are numerical simulations, experiences in laboratory plumes, and, to
a lesser extent, experiences in filed, all of them with B/H less than 20.There is also a very
important feature in this type of channels, the sediment transport that adds complexity to
what is already given in activities linked to numerical simulations, laboratory and fieldwork.
The lack of knowledge in this issue is extensive, for example, there is not enough
understanding about the hidro-sedimentological link between the reaches and their mouths
at the main channel, nor the behavior of sediment transport along the downstream reach.
Main interest in these secondary channels is centered on the hydraulic and sedimentological
understanding for an appropriated management. Even more, when their monitoring is
addressed to the socio-economic development of coastal populated cities, such the case of
Santa Fe city.
Therefore, general objectives of the present Thesis are to study the hidro-sedimentological
mechanisms acting on a large meandering channel, the Colastiné River, Paraná, Argentina,
including process such flow and sediment partition at its mouth as well as flow and sediment
transport general behavior within the initial reach of this channel. Innovation is not only
given by the use of acoustic Doppler technology, i.e., the acoustic Doppler current profilers,
but also by the development of computational codes to process acoustic signal to obtain
concentration and suspended sediment transport data. A powerful tool calibrated for the
present work is the simulation software TELEMAC-MASCARET, used worldwide in the
scientific community to solve governing equations for 2D and 3D free-surface flows through
the finite elements method.
In addition to the above mentioned, an historical analyzes of Colastiné River
morphodynamics is made to discern about actual and future behaviors. Finally, with the
results obtained, the discussion is centered in the recommendations and planning about future
research lines.
V
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. 1- Tramo medio del Paraná cauces secundarios: 1) San Jerónimo, 2) Espinillo,
3) Colastiné, y 4) Pavón. Imagen en coordenadas UTM (Fuente: U.S. Geological
Survey, USGS). .......................................................................................................... 4
Figura 2. 1.- Zona de estudio sobre el cauce principal del río Paraná y cauce secundario
Colastiné. ................................................................................................................ 10
Figura 2. 2.- Equipamiento utilizado: a) perfilador acústico Doppler (Teledyne RDI 1200
kHz), b) ecosonda, c) notebooks con software para la recopilación de datos, d)
estación para el DGPS, e) embarcación hidrográfica y f) muestreador US P61. ...... 15
Figura 2.3.-Tramo y secciones de aforo tomadas en la campaña 2011 (C2011)............... 20
Figura 2.4.-Tramo y secciones relevadas para la campaña 2013 (C2013). Líneas rojas con
ADCP y negras con ecosonda. Los puntos indican la posición de la extracción de
muestras de fondo. ................................................................................................... 21
Figura 2.5.- Región de estudio campaña 2014 (C2014a). ................................................ 22
Figura 2.6- Región de estudio, secciones relevadas y puntos de muestreo de sedimentos y
mediciones estáticas durante campaña 2014b (C2014b). ......................................... 24
Figura 2.7.-Región de estudio y secciones relevadas con ADCP (rojas) y ecosonda
(negras) en campaña 2015 (C2015). ........................................................................ 25
Figura 2.8.- Región de estudio, ubicación de secciones relevadas con ADCP (rojas),
ecosonda (negras) y localización de muestras de fondo durante la campaña 2016
(C2016). .................................................................................................................. 26
Figura 3. 1.- Diagrama de flujo del código computacional ASET. ................................... 38
Figura 3. 2.- Panel inicial de ASET. ................................................................................ 45
Figura 3. 3.- Panel de visualización y comprobación de resultados. ................................ 51
Figura 3. 4.- Secciones transversales medidas en las que se aplicó ASET en el sistema del
río Paraná. Secciones P1, P2 y P3 ubicadas sobre el cauce principal y C1, C2 y C3
sobre el río Colastiné. .............................................................................................. 52
Figura 3. 5.- Panel de calibración de ASET con todos los PD0 leídos (izquierda), las
curvas de calibración logradas siguiendo las Ecs. 3.11 (derecha) y 3.12 (centro) y la
tabla con datos sedimentológicos introducidos (inferior). ........................................ 54
Figura 3. 6.- Campo de concentraciones de sedimento suspendido de fondo y velocidad de
flujo sobre las secciones del río Colastiné (C1, C2 y C3) generadas por ASET. ....... 55
Figura 3. 7.- Campo de concentraciones de sedimento suspendido de fondo y velocidad de
flujo sobre las secciones ubicadas sobre el cauce principal del río Paraná (P1, P2 y
P3) generadas por ASET. ........................................................................................ 55
Figura 4. 1.- Tramo de estudio y secciones relevadas durante los trabajos de campo
(negras: con ecosonda; rojas: con ADCP). Los círculos representan la ubicación de
la toma de muestras de fondo y calicata. Imagen del año 2016. ............................... 62
Figura 4. 2.- Mallas generadas a través del software BlueKenue, a) con Colastiné y b) sin
Colastiné. ................................................................................................................ 65
Figura 4. 3.- Modelo digital de terreno a) campaña 2009 y b) campaña 2016. Las
profundidades están referidas a cotas IGN. ............................................................. 70
Figura 4. 4.- Recorridos realizados con la embarcación hidrográfica para la
caracterización de las formas de fondo. ................................................................... 71
Figura 4. 5.- a,b,c) Formas de fondo del registro gráfico de la ecosonda con detalle de las
dunas superimpuesta sobre los recorridos 1, 3 y 5 respectivamente. ........................ 72
Figura 4. 6.- Diámetros representativos medios (D50) de las muestras de fondo y superficie
tomadas en la región de estudio. M: muestra de fondo; MXs: diámetro medio del
material grueso presente en suspensión cerca de superficie; S, C y I: estrato
superficial, central e inferior, respectivamente. ....................................................... 74
VI
Figura 4. 7.- Distribución granulométrica de muestras tomadas en la campaña C2016... 74
Figura 4. 8.- Velocidades promediadas en la vertical de las secciones aforadas con ADCP
durante la campaña C2016. Bifurcaciones 1, 2 y 3. Ver Figura 4.1. ........................ 76
Figura 4. 9.- Velocidades primarias y secundarias obtenidas por el método de Rozovskii en
secciones relevadas en C2016, bifurcación 1 y 2. .................................................... 78
Figura 4. 10.- Velocidades promediadas en la vertical de las secciones aforadas con
ADCP durante la campaña C2016. Bifurcación 3. ................................................... 80
Figura 4. 11.-Velocidades primarias y secundarias obtenidas por el método de Rozovskii
en secciones relevadas en C2016, bifurcación 3. ..................................................... 82
Figura 4. 12.- Campo de concentraciones del material de fondo en suspensión estimadas
con ASET para condición C2016. Bifurcaciones 1 y 2. ............................................ 85
Figura 4. 13.- Campo de concentraciones del material de fondo en suspensión estimadas
con ASET para la condición C2016. Bifurcación 3. ................................................. 87
Figura 4. 14.- Resultados hidrodinámicos 2D de TELEMAC 2D para los 4 casos de
estudio. a) C2009_CC, b) C2009_SC, c) C2016_CC y d) C2016_SC. Notar escalas de
colores similares para una misma condición hidrométrica....................................... 90
Figura 4. 15.- Campo de velocidades promediadas en planta en la región cercana a la
embocadura del río Colastiné.C2009_CC ................................................................ 92
Figura 4. 16.- Velocidades modeladas medias en la vertical en secciones de interés sobre
bifurcaciones 1 y 2. Efecto de la ausencia del río Colastiné. .................................... 93
Figura 4. 17.- Hidrograma modelado correspondiente al caudal que ingresa al dominio
modelado para el período 2/11/2015 al 31/08/2016. ................................................ 94
Figura 4. 18.- Velocidades de corte en bifurcación 3 (región de banco 2), para la
condición inicial de modelación (t=0). .................................................................... 95
Figura 4. 19.- Velocidades de corte en bifurcación 3 (región de banco 2), para la
condición de caudal máximo registrado en el período de análisis (t=65 días). ........ 96
Figura 4. 20.- Velocidades de corte en bifurcación 3 (región de banco 2), para la
condición de final del período de análisis (t=303 días). .......................................... 96
Figura 4. 21.- Morfodinámica de la región de estudio sobre los últimos 38 años. ............ 97
Figura 5. 1.- Definición esquemática del flujo en curvas sobre canales abiertos, pf es la
presión del flujo; r y ✁ s son las tensiones en la dirección r y s respectivamente; ✂ 0 r
es tensión transversal en el fondo del cauce; ✄ r , ✄ s y ✄ z son los pequeños
incrementos. (Fuente: Zhou et al., 1993). ................................................................ 104
Figura 5. 2.- Diagrama de tipos flujos en curvas propuesto por Yalin (1992). Fuente: Yalin
(1992). .................................................................................................................... 105
Figura 5. 3.- Evolución temporal del río Colastiné desde 1940 a 2016. Actual condición de
línea central en color azul e histórico en color rojo. Modificado de Ramonell y Amsler
(2005). .................................................................................................................... 108
Figura 5. 4.-Línea central del cauce para los años 1977 a 2014 (en coordenadas UTM). La
línea A-B-C-D representa una aproximación de la línea de valle y define la dirección
dominante de migración. ........................................................................................ 109
Figura 5. 5.-Tramo en estudio y secciones transversales medidas sobre el río Colastiné en
las campañas: a) C2011 (09/05/2011: desde S1 a S12), b) C2013 (10-11/06/2013:
desde R1 a R12) y C2014b (05-06/11/2014: tramo desde R5 a R12). ...................... 111
Figura 5. 6.-Morfología del fondo y ubicación de secciones transversales relevadas con
ADCP (C2013). ...................................................................................................... 113
Figura 5. 7.- Resultados de a) batimetría detallada entre secciones R6 y R8 relevada
durante C2014b, b) perfil longitudinal sobre point bar, y c) perfil longitudinal sobre
el thalweg. .............................................................................................................. 114
Figura 5. 8.- Pendiente y perfiles transversales en secciones correspondientes a los ápices.
a, b y c corresponde a secciones R3, R7 y R11 respectivamente relevadas en campaña
VII
C2013. .................................................................................................................... 115
Figura 5. 9.-Granulometría región de estudio C2013 y C2014b. Muestras de fondo y
márgenes. ............................................................................................................... 115
Figura 5. 10.- Distribución granulométrica de muestras de fondo sobre el río Colastiné.
............................................................................................................................... 116
Figura 5. 11.- Campo de velocidades medias en la vertical para relevamientos C2013 (a) y
C2014b (b). ............................................................................................................ 117
Figura 5. 12.- Corrientes secundarias para secciones de ápice descompuestas por
diferentes métodos distinguidos por colores: i) negro, método de línea central; ii)
rojo, Rozovskii y iii) azul, cero caudal. Cabe destacar que las figuras a y b
corresponden a las sección R7, y c y d a R11, para C2013 y C2014b, respectivamente.
............................................................................................................................... 120
Figura 5. 13.- Corrientes secundarias para secciones entre ápices descompuestas por
diferentes métodos distinguidos por colores: i) rojo, Rozovskii y ii) azul, cero caudal
transversal. Cabe destacar que las figuras corresponden al relevamiento C2013.R5,
R6, R8, R9, R10 y R12. ........................................................................................... 123
Figura 5. 14.- Velocidad primaria del flujo (up), secundaria (us) de la campaña C2013 y
C2014b (margen izquierda y derecha, respectivamente). Ver Figura 5.5b para su
ubicación en planta. ............................................................................................... 125
Figura 5. 15.- Características de la rugosidad de margen en cercanía de sección R7.
Ubicación de mediciones estáticas. Imagen aérea tomada con un equipo Drone
provisto por el Centro de estudios y Tecnología del Aguas de la UNC. ................... 129
Figura 5. 16.- Dirección y velocidad del flujo obtenida de mediciones estáticas con ADCP
(intervalo de 15 min.) en las verticales a, b y c (ver Figura 5.15a) sobre la sección R7.
............................................................................................................................... 130
Figura 5. 17.-Variación del caudal líquido (Q), sólido (Gss) y curvatura (1/Radio) desde
embocadura hacia aguas abajo (sección R12) para los relevamientos C2011, C2013 y
C2014b. .................................................................................................................. 131
Figura 5. 18.- Campo de concentración de sedimento suspendido de fondo sobre las
secciones relevadas en C2013 y C2014b (margen izquierda y derecha,
respectivamente). .................................................................................................... 132
Figura 5. 19.- Líneas que unen los centros de máximas velocidades y núcleos de
concentración de sedimento suspendido para C2013 y C2014b. Coordenadas UTM.
............................................................................................................................... 135
Figura 5. 20.-Distribución de la fuerza centrífuga (up2H), elevación de superficie de agua y
concentraciones de sedimento suspendido. La elevación de la superficie de agua se
encuentra en un plano de referencia arbitrario propio del sistema de posicionamiento
DGPS. .................................................................................................................... 135
Figura 5. 21.- Comportamiento de isolíneas de caudal líquido (a) y sólido (b) sobre el
tramo relevado en C2013. Cabe destacar que el delta de magnitud utilizado es de
20%. ....................................................................................................................... 137
Figura 5. 22.-Variación de perfiles transversales en canales de laboratorio (Hooke, 1975)
y sobre meandros del río Colastiné (C2013). La progresiva cero corresponde a
margen convexa (interna), ✟ es profundidad media de toda la sección y H
profundidad en la vertical. ...................................................................................... 138
Figura 5. 23.- Modelo conceptual de los tipos de flujo presentes en la sección de ápice del
río Colastiné. .......................................................................................................... 138
Figura 6. 1.- Diagramas del perfil de velocidad secundaria, distribución de
concentraciones y flujo de sedimento suspendido en la transversal. Modificado de
Olesen (1987). ....................................................................................................... 143
Figura 6. 2.- Ajuste propuesto por Petkovsek (2015) como simplificación a la Ec. 6.8
(Olesen, 1987). ...................................................................................................... 147
VIII
Figura 6. 3.- Tramo en estudio, morfología del fondo del cauce y secciones relevadas con
ADCP. El lecho esta expresado en cotas IGN (m.s.n.m). ........................................ 150
Figura 6. 4.- Comparación de Cref obtenidos del método de extracción de datos en campo y
los logrados por ecuaciones empíricas. ................................................................. 152
Figura 6. 5.- Estructura de flujo, velocidades primarias y secundarias (Rozovskii, 1957)
sobre las secciones medidas en C2015 con ADCP. ................................................ 155
Figura 6. 6.- Mapa de concentraciones calculados por ASET y corrientes secundarias
(Rozovskii, 1957) sobre las secciones relevadas en C2015. .................................... 157
Figura 6. 7.- Velocidades medias (a) y de corte (b) en la vertical obtenidas sobre el tramo
de estudio del río Colastiné por TELEMAC 2D, sin corrección por efecto de
corrientes secundarias. .......................................................................................... 159
Figura 6. 8.- Distribución de velocidades medias en la vertical medidas y modeladas para
los distintos casos de estudio y para cada sección analizada y relevada en campo. 160
Figura 6. 9.- Resultado de la modelación del transporte de sedimento suspendido para la
condición Q1, aplicando los diferentes métodos de corrección de corriente secundaria
en TELEMAC 2D acoplado a SISYPHE. a) sin corrección de corrientes secundarias,
b) con corrección Finnie et al. (1999), y c) con corrección de Petkovsek (2015). ... 162
Figura 6. 10.- Resultado de la modelación del transporte de sedimento suspendido para la
condición Q2, aplicando los diferentes métodos de corrección de corriente secundaria
en TELEMAC 2D acoplado a SISYPHE. a) sin corrección de corrientes secundarias,
b) con corrección Finnie et al. (1999), y c) con corrección de Petkovsek (2015). ... 163
Figura 6. 11.- Estructura de flujo y concentraciones de sedimento suspendido obtenida de
TELEMAC 3D. De S1 a S4. ................................................................................... 164
Figura 6. 12.- Estructura de flujo y concentraciones de sedimento suspendido obtenida de
TELEMAC 3D. De S4 a S6. ................................................................................... 165
Figura 6. 13.- Resultados de modelación numérica de estructura de flujo de TELEMAC 3D
(izquierda), y sedimentos suspendidos (Q1+Q2). Notar que las secciones R4, R5 y R6
son coincidentes a las relevadas en C2013. ........................................................... 166
Figura 6. 14.- Resultados de modelación numérica de estructura de flujo de TELEMAC 3D
(izquierda), y sedimentos suspendidos (Q1+Q2). Notar que las secciones R8, R9 y
R10 son coincidentes a las relevadas en C2013. .................................................... 167
Figura 6. 15.-Distribución de concentraciones del sedimento de fondo en suspensión
integradas en la vertical, estimadas con ADCP y modeladas (Q1 +Q2) considerando
los distintos casos. En línea de puntos se presentan las curvas considerando la
incertidumbre en las estimaciones del sedimento suspendido con metodología
acústica, i.e. ±30% (Szupiany et al., 2017). ............................................................ 168
IX
ÍNDICE DE TABLAS
Pag.
Tabla 2. 1.- Estaciones de aforo provistas por la subsecretaria de Recursos Hídricos de la
Nación Argentina..................................................................................................... 14
Tabla 2. 2.- Detalle sobre las campañas realizadas: Fecha, zona, actividades (resumida).
................................................................................................................................ 27
Tabla 3. 1.- Características principales del método tradicional de medición llevado a cabo
en el río Paraná y Colastiné. ................................................................................... 53
Tabla 3. 2.- Resultados del transporte de sedimento suspendido con ASET y mediante los
métodos tradicionales anteriormente expuestos para las secciones transversales
medidas. .................................................................................................................. 54
Tabla 4. 1.- Características hidrosedimentológicas relevantes. ....................................... 61
Tabla 4. 2.- Condiciones de bordes y fechas modeladas para los 4 casos de estudio. ....... 67
Tabla 4. 3.- Valores medios de geometrías de fondo en los recorridos realizados en C2016.
................................................................................................................................ 72
Tabla 4. 4.- Caudales medios relevados con ADCP en las campañas C2009 y C2016 sobre
bifurcación 1 y 2. ..................................................................................................... 75
Tabla 4. 5.- Caudal sólido del material de fondo transportado en suspensión sobre las
secciones relevadas con ADCP y calculadas por ASET. Campaña 2016. ................. 84
Tabla 4. 6.- Partición de caudales sobre las secciones relevadas..................................... 89
Tabla 5. 1.- Patrón morfodinámico de las curvas a lo largo del Colastiné (tramo de
estudio). ................................................................................................................. 110
Tabla 5. 2.- Porcentajes de composición de muestras obtenidas de las márgenes del río
Colastiné. .............................................................................................................. 116
X
CAPÍTULO 1: Introducción
3
ríos como los del sistema Paraná) se producen particulares interacciones entre la morfología,
la estructura del flujo y el transporte de sedimentos que se distinguen a los ocurridos en
cauces de bajas relaciones de B/H, ya ampliamente estudiados. Esto conlleva a diferentes
procesos de erosión y sedimentación y consecuente morfodinámica de estos cauces,
especialmente aquellos que adquieren una configuración meandriformes como los CSM.
Figura 1. 1- Tramo medio del Paraná cauces secundarios: 1) San Jerónimo, 2) Espinillo, 3) Colastiné, y 4)
Pavón. Imagen en coordenadas UTM (Fuente: U.S. Geological Survey, USGS).
4
H3: La particular división y entrada de sedimentos al sistema secundario,
preponderantemente aquel transportado en suspensión, requiere que los modelos numéricos
modifiquen su aproximación o bien nuevos esquemas de aplicación.
1.3 Objetivos
El objetivo general de la tesis es analizar el funcionamiento hidráulico, sedimentológico y
morfodinámico de un CSM Tipo II del sistema Paraná. Para ello se analizará el río Colastiné,
caracterizado por su independencia morfodinámica con el cauce principal y su desarrollo en
planta de tipo meandriforme.
Este objetivo general implica otros particulares tendientes a: i) cuantificar las variables
hidráulicas y sedimentológicas a través de mediciones en campo, en especial el transporte
de sedimentos, ii) caracterizar y analizar los mecanismos hidrosedimentológicos producidos
en la zona de embocadura y tramo medio del Colastiné y su dependencia con el cauce
principal y, iii) evaluar y adaptar modelos numéricos que permitan representar los complejos
fenómenos físicos intervinientes.
A continuación se mencionan los objetivos específicos que se pretenden cumplir:
O1: Comprender, a través de mediciones en campo, las interacciones entre la morfología,
estructura de flujo y campo de concentraciones del material suspendido (transporte) en zonas
seleccionadas que incluyan la bifurcación entre el cauce principal y secundario y el
desarrollo de curvas hacia aguas abajo de este último. Se pretende además (en lo posible)
llevar a cabo las campañas para tres estados hidrométricos (bajos, medios y altos) y
determinar su grado de dependencia a variaciones hidrológicas.
O2: Evaluar las metodologías con tecnología acústica, ya desarrolladas por el grupo de
investigación en la que se enmarca la presente tesis, para la medición del transporte de
sedimentos. Esta evaluación contempla además el desarrollo de códigos computacionales
que permitan el tratamiento eficiente del importante volumen de datos recolectados en
campo para la transformación de las señales acústicas a concentraciones del material en
suspensión. Especial importancia se tomará a los métodos de extrapolación en las zonas no
medidas por los instrumentos acústicos (i.e. cerca de superficie y fondo).
O3: Con los resultados de O1 y la aplicación de las herramientas para el tratamiento de la
información (O2), evaluar el efecto de la elevada relación B/H típica de estos cauces de
llanura, identificando las variables de control y procesos que gobiernan la morfodinámica.
Se trata de conocer los mecanismos y condiciones de formación de bancos (margen convexa)
y erosión (margen cóncava), que definen la interacción del flujo de agua y sedimento.
5
Análisis de diferencias con estudios en cauces de menores relaciones B/H ya ampliamente
estudiados (verificación Hipótesis 2).
O4: Analizar cuantitativamente los procesos de migración y su comparación con modelos
teóricos de estimación ya existentes.
O5: Analizar los mecanismos de división del flujo y sedimentos en la bifurcación entre el
cauce principal y CSM (Hipótesis 1).
O6: Aplicación y validación del modelo numérico open-source TELEMAC-MASCARET
(www.opentelemac.org) para cuantificar la hidráulica y el transporte de sedimentos en CSM.
Desarrollo de esquemas que se adapten a los tipos de transporte presentes (verificación
Hipótesis 3). Discusión.
6
de la herramienta como así también una serie de ejemplos y resultados de la aplicación. Se
destaca además las técnicas evaluadas para extrapolar datos de velocidad y concentración
donde los equipos ADCP no registran datos (i.e. cerca de superficie y fondo). Cabe destacar
que esta herramienta será usada de manera reiterada a lo largo de los capítulos restantes de
la tesis, la cual resulta clave en la cuantificación de dichas variables y su análisis.
El Capítulo 4 se centra en evaluar los diferentes mecanismos de reordenamiento morfológico
presentes en la región de la expansión denominada Chapetón y bifurcación del río Colastiné
con el cauce principal del Paraná. Una serie de bifurcaciones sucesivas de diferentes
jerarquías caracteriza esta región, compuesta por bifurcaciones propias del cauce principal
y la bifurcación Paraná-Colastiné, desarrollando esta última condiciones geométricas
diferente a las propias del cauce principal (debido a la gran longitud de los brazos
bifurcados). Se pretende entonces analizar la hidráulica y sedimentología mediante la
evaluación de la partición de flujo y sedimento. Para ello se optó por llevar a cabo dos
metodologías, por un lado mediante el relevamiento de datos in situ con el uso de un equipo
ADCP río Grande Teledyne de 1200 kHz (para la estructura de flujo, señal acústico y por
ende sedimento suspendido) y equipamiento para la obtención de datos sedimentológicos
(conos de arrastre entre otros) y morfológicos (Ecosonda simple haz Raytheon 200 kHz), y
por otro la aplicación del módulo hidrodinámico TELEMAC 2D del sistema TELEMAC-
MASCARET. Ambos métodos serán empleados de manera complementaria. En este
capítulo se presentan resultados y el análisis de dos campañas (03/2009, estado bajo y
06/2016, estado bajante) llevadas a cabo en la región Chapetón. Desde la modelación y
debido a la adaptabilidad de las mallas se pretende evaluar la influencia del río Colastiné
sobre toda la región. Por tal motivo se presentan las simulaciones numéricas del modelo
TELEMAC 2D para dos estados, uno coincidente con la campaña 2009 (para su calibración),
el otro con la última crecida 2016 y ambas bajo condiciones hipotética con y sin presencia
del río Colastiné. Todas estas evaluaciones se llevan a cabo bajo la condición de fondo
rígido. Esto permite evaluar los fenómenos de partición de flujo con la hidráulica
predominante de la región. Por último, se presenta los resultados de la modelación
hidrodinámica (2D) del ciclo de completo de crecida 2016 (11/2015-08/2016), con un fondo
móvil, para discutir sobre los mayores cambios morfológicos resultantes de la misma y
comparar con datos medidos.
Dada la herramienta desarrollada para la cuantificación del flujo y sedimentos suspendidos
(Capítulo 3) y los fenómenos hidrosedimentológicos en la zona de la bifurcación, sobre el
cauce principal, y su cauce secundario (Capítulo 4), en el Capítulo 5 se describe los procesos
que incluyen la interacción entre la morfología, la estructura de flujo y transporte de
7
sedimento suspendido en el tramo inicial del río Colastiné, caracterizado por presentar una
geometría de tipo meandriforme con una elevada relación ancho/profundidad (B/H). El
principal tópico en este capítulo es la descripción de la estructura de flujo junto a la
influencia de las corrientes secundarias sobre el sedimento suspendido y sus implicancias en
la redistribución del transporte de sedimentos. Inicialmente se presenta una breve
caracterización del sistema Colastiné en donde se detalla su entorno y sus mayores cambios
morfodinámicos en los últimos 50 años. Se presentan mediciones de campo en una serie de
campañas realizadas en el tramo inicial y medio del río Colastiné, en donde se usó equipos
acústicos ADCP (1200 kHz) junto a la ecosonda simple haz Raytheon 200 kHz para de esta
manera contar con la estructura de flujo y morfología del tramo. Mediante diferentes
métodos de proyección se presentan las componentes transversales de velocidad (i.e.
velocidad primaria y secundaria) de las secciones relevadas con el fin de cuantificar y
discutir sobre las intensidades y configuración de estas. Junto a la descomposición de la
estructura de flujo se estima el sedimento suspendido en las secciones a través del método
propuesto por Szupiany et al. (2017) y la aplicación de la herramienta ASET (Capítulo 3)
para la obtención del campo de concentraciones y transporte de sedimento suspendido.
El Capítulo 6 presenta resultados de diferentes modelaciones numéricas realizadas con el
modelo TELEMAC-MASCARET acoplado al módulo SISYPHE para la modelación de la
hidrodinámica y el transporte de sedimentos suspendidos (particularmente arenas finas y
gruesas). Se evalúan diferentes módulos para corregir los algoritmos de corrección
bidimensional existentes y evaluar los efectos con modelación 3D. Por último se contrasta
los resultados de la modelación con los datos medidos in situ con ADCP, que permitirán
realizar una discusión de los resultados hidrosedimentológico como también sobre las
capacidades numéricas para modelar estos grandes cauces.
Para finalizar, en el Capítulo 7 se presentan las discusiones y conclusiones generales de la
tesis, discriminando las diferentes regiones de estudio y vinculándolas unas con otras. De
esta manera las conclusiones irán describiendo el comportamiento a nivel de tramo general,
hasta llegar a nivel de subtramos del cauce secundario Colastiné. Además se plantea una
perspectiva de los trabajos a futuros e inconvenientes abordados a lo largo de la
investigación.
8
CAPÍTULO 2: Región de estudio, materiales y metodología
2.1 Introducción
En el presente capítulo se describe la región de estudio, indicando las características
hidrosedimentológicas generales, como así también los trabajos de preprocesamiento, las
tareas de campo ejecutadas y el posprocesamiento de la información relevada (Dominguez
Ruben et al., 2014; Dominguez Ruben et al., 2015a).
Posteriormente, se detalla las características generales del modelo numérico empleado
(TELEMAC-MASCARET) con las ecuaciones de gobierno, tanto de la hidrodinámica como
del transporte de sedimentos, haciendo especial hincapié, para esto último, en el
acoplamiento del módulo SISYPHE (Tassi, 2017). Una mayor descripción se hará en
Capítulos 4 y 6 de la presente tesis.
Figura 2. 1.- Zona de estudio sobre el cauce principal del río Paraná y cauce secundario Colastiné.
El sedimento del fondo del Paraná se encuentra conformado por partículas de tipo granular,
con una granulometría variable de 0.100 mm a 0.600 mm (Amsler y Prendes, 2000). Sus
diámetros características son D16=0.160 mm, D50=0.300 mm y D84=0.520 mm, con un desvío
estándar de ✁g=0.55 (Amsler y Prendes, 2000). Sobre el tramo medio del Paraná se presenta
una contracción denominada Cerrito, compuesta por un fondo de roca "dura" con una
profundidad media de 35 m. Esta contracción antecede a una expansión de ancho medio
6500 m y de gran movilidad histórica (Ramonell et al., 2000). Estos tipos de nodos son
comúnmente observables a lo largo del Paraná (Pereira, 2016) y se encuentran conformadas
por grandes islas que ocupan una gran fracción del ancho del cauce. Una de ellas es la isla
Chapetón la cual ocupa un total de 16 km2 y otras formaciones de menor tamaño que parten
el flujo y sedimento en brazos de diversas jerarquías (Figura 2.1). Llamaremos a partir de
aquí a toda esta región que incluye la isla y el cauce principal del Paraná, zona Chapetón.
Sobre esta zona se presentan 3 bifurcaciones sucesivas: Bifurcación 1) inmediatamente
aguas abajo a la contracción Cerrito; Bifurcación 2) sobre el brazo derecho de la Bifurcación
1, donde se abren 3 brazos y; Bifurcación 3) la generada por el río Colastiné. El thalweg del
10
tramo del río se localizó durante las últimas décadas recostado sobre la margen derecha en
la expansión y manteniéndose sobre esta hasta la confluencia aguas abajo de la isla.
Ramonell et al. (2000) evaluaron la migración lateral sobre dicha región y determinaron
tasas anuales cercanas a 53 m/año. Amsler y Prendes (2000) indican que las formas de fondo
en una región aledaña a Chapetón se presentan dunas con alturas medias (Hd ) de 1.8 m y
longitudes (✁) de 45 m. Estos mismos autores indicaron que las tasas de transporte de fondo
varían en un rango entre 0.08 kg/m/s a 0.41 kg/m/s. Dichos autores compararon las diferentes
ecuaciones teóricas de transporte, concluyendo que el mejor ajuste lo generaba la expresión
de Engelund y Hansen (1967).
En cuanto al sedimento suspendido se puede indicar que la fracción fina o carga de lavado
(Drago y Amsler, 1988; Drago y Amsler, 1998; Amsler y Prendes, 2000; Orfeo y Stevaux,
2002; Orfeo et al., 2006) transportada por el Paraná es influenciada por los aporte del río
Bermejo, que vuelca cerca del 90% de la carga de lavado transportada por el Paraná aguas
abajo. Alarcon et al. (2003) ha demostrado que la relación entre el sedimento suspendido y
el transporte de fondo es de 10, mientras que la carga de lavado representa el 91% del
sedimento total transportado. La composición del material del fondo es de arena cuarzosas
(>90%), con pequeñas fracciones de limos y arcillas (<4%) (Drago y Amsler, 1998). Estos
autores han reportado que entre un 11% y un 51% lo conforman arena gruesa y fina (con un
✘✏✜✏ ✖ ✜✛✕✙✖ ✕✛ ☛✝✁☎☛ ✜✜ ✂ ✄✔✏ ✕✛✣☎✙✏✓✙✚✔ ✛✣✘✆✔✕✏✒ ✕✛ ✝ g=1.43). Cabe destacar que el
material suspendido del fondo se encuentra en el orden de ~0.110 mm (Latosinski et al.,
2014; Lopez Weibel et al., 2015). Se describirá con mayor detalle el río Paraná en el Capítulo
4.
12
- TM Mosaics (1983-1999)
- L1-5 MSS (1986- 1992) 60x60m
- L4-5 TM (2008-2011) 30x30m
- L7 ETM+SLC-on (1999-2003) 30x 30m
- L7 ETM+SLC-off (2003-presente) 30x30m
- L8 OLI/TIRS Pre-WRS-2 (2011-presente) 30x30m
Otra fuente de imágenes satelitales fueron las CBERS, disponibles en la página
www.cbers.inpe.br de manera gratuita:
- CBERS 2 con resolución espacial de 20 m (2004-2007).
Y además se contó con la aplicación:
- Google Earth® (2002-actualidad).
Las imágenes satelitales permitieron realizar una descripción de la geometría de los
diferentes tramos de estudio y así extraer de las mismas variables como: ancho, largo,
sinuosidad, amplitud de onda, ápice, longitud aguas arriba del ápice y longitud aguas abajo
del ápice. Se destaca que para esta etapa fue útil la aplicación de Meander Statistics Toolbox
MStaT (Dominguez Ruben et al., 2017), una herramienta computacional desarrollada en
MATLAB que permite mediante la incorporación en diferentes formatos (.txt, .csv o .dat)
de la línea central del cauce digitalizada previamente, calcular los parámetros geométricos
anteriormente indicados. Las imágenes satelitales permitirán además, mediante un análisis
multitemporal, cuantificar las migraciones laterales, definir la región de erosión y
deposición, como así también la formación de bancos y cambios geomorfológicos de la
región.
Tabla 2. 1.- Estaciones de aforo provistas por la subsecretaria de Recursos Hídricos de la Nación Argentina.
Estaciones Río
RN 168 Colastiné
Puerto Paraná (km 601*) Paraná medio
Hernandarias (km 689*) Paraná medio
Corrientes (km 1208*) Paraná medio
*
kilómetro de la ruta de navegación fluvial.
14
Sistemas de navegación y de recopilación en la toma de datos
- IFANAV. Software de navegación a tiempo real que permite integrar los datos
provistos por los equipos GPS (Leica 1200) y sonda ecógrafa Raytheon (Figura 2.2c).
- WinRiver v7.17. Software propietario de Teledyne RDI. Permite la captura y
visualización de los datos de los equipo acústicos ADCP río Grande 600 kHz y 1200
kHz (Figura 2.2c).
Equipamiento extra para cumplimentar los datos de estudio:
- Distanciometro óptico.
- 2 computadoras portátiles.
- Equipamiento necesario para la derivación de datos.
Figura 2. 2.- Equipamiento utilizado: a) perfilador acústico Doppler (Teledyne RDI 1200 kHz), b) ecosonda,
c) notebooks con software para la recopilación de datos, d) estación para el DGPS, e) embarcación
hidrográfica y f) muestreador US P61.
15
Por último cabe destacar que todo este instrumental fue montado en la embarcación
hidrográfica, la cual permite la maniobrabilidad necesaria para la recolección de datos en las
zonas de estudio.
19
2.3.4.2 Campaña 2013 (C2013)
Fecha de relevamiento: 10-11/07/2013
HCol=4.22 m
Los motivos que motorizaron a dicha campaña rondan en interiorizar el análisis global
realizado en C2011 escogiendo un subtramo del río Colastiné con la presencia de una serie
de curvas consecutivas con diferente radio de curvatura, para ser monitoreadas a mayor
resolución espacial y temporal. Esta campaña permitió evacuar dudas respecto a la presencia
de corrientes secundarias y gracias a la transformación de la señal acústica a
concentraciones, determinar su influencia sobre los sedimentos suspendidos. Dicha campaña
fue llevada a cabo para un estado de desborde con un caudal promedio de 2486 m 3/s.
Figura 2.4.-Tramo y secciones relevadas para la campaña 2013 (C2013). Líneas rojas con ADCP y negras
con ecosonda. Los puntos indican la posición de la extracción de muestras de fondo.
21
resultados de dicha calibración ya fueron presentados por Lopez Weibel et al. (2015) y
fueron claves para la validación del código ASET que se desarrollará en el Capítulo 3 de la
presente tesis. Con este fin, se llevaron a cabo los trabajos en una sección cercana al puente
de la RN 168, debido al fácil acceso. El estado hidrométrico de esta campaña corresponde a
un estado de aguas bajas (Q = 1488 m3/s).
Dado los objetivos propuestos por dicha campaña se acoplo a la embarcación hidrográfica
el equipo US-P61 provisto por el Instituto Nacional de Limnología (INALI-CONICET). Este
cuenta con la propiedad isocinética, la cual permite el ingreso del flujo y sedimento a la
misma velocidad del medio, propiedad necesaria para la correcta cuantificación de las
concentraciones del material grueso (arenas) transportadas en suspensión. De esta manera
se tomaron muestras puntuales a diferentes profundidades (0.2H, 0.4H, 0.6H, 0.8H y 0.9H)
sobre diferentes verticales. En este caso se estableció la ubicación de 5 verticales (puntos
marrones, Figura 2.5) a través del método de incrementos de igual caudal (Equal Discharge
Increment, EDI, en sus siglas en inglés, WMO, 1994). Adicionalmente, se relevaron 2
verticales para incrementar el volumen de datos. Además, mientras se realizaron la toma de
muestras puntuales de sedimento suspendido, se registraron las velocidades e intensidades
acústicas con ambos equipos ADCP (600 kHz y 1200 kHz) Río Grande Teledyne RDI. Esto
último permite correlacionar la muestra adquirida con los datos acústicos relevados para así
realizar la calibración de la señal acústica.
Finalmente, se relevó la sección realizando 4 recorridos en forma dinámica con ADCP para,
una vez efectuada la calibración, determinar mediante la metodología propuesta por
Szupiany et al. (2017) el transporte de sedimento suspendido sobre la misma.
22
2.3.4.4 Campaña 2014b (C2014b)
Fecha de relevamiento: 5-6/11/2014
HCol= 3.64 m
En función de los resultados de los relevamientos anteriores, el motivo de realización de esta
campaña fue: i) detallar la estructura de flujo sobre las curvas ya estudiadas en C2013 para
un estado hidrométrico medio (por debajo del nivel de desborde relevado en 2013), ii)
cuantificar con mayor resolución la morfología de fondo, iii) cuantificar el efecto de la
rugosidad y presencia de vegetación en márgenes externas de las curvas y, iv) analizar la
composición sedimentológica de bancos formados en la zona interna de las curvas y
márgenes. El caudal medio registrado para esta campaña fue de 1921 m 3/s.
Para lograr los objetivos indicados anteriormente, y con el motivo de poder comparar con
datos previos, la metodología llevada a cabo fue similar a C2013. Se realizaron aforos con
el equipo ADCP Río Grande Teledyne RDI de 1200 kHz sobre las curvas seleccionadas
(línea roja, Figura 2.6a). En este caso se optó por llevar a cabo 4 recorridos por sección para
tener una mayor resolución.
Para la caracterización de la turbulencia generada por la rugosidad y vegetación en
márgenes, se realizaron mediciones con un dron (modelo DJI Phantom +2 vision) a la altura
aproximada de 50 m lo que permitió la captura de imágenes para el postanálisis. Las
mediciones consistieron en la captura de videos, durante aproximadamente 10 min de la
región externa a la curva que se muestra en Figura 2.6b. Para la caracterización se lanzó
rodamina lo que permitió visualizar las estructuras o remolinos superficiales presentes en la
región de la curva. Este relevamiento se pudo llevar a cabo gracias a la colaboración lograda
con el laboratorio CETA (Centro de Estudios y Tecnología del Agua) perteneciente a la
Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de la Universidad Nacional de Córdoba.
En esa colaboración participaron el Dr. Carlos Marcelo Garcia y el Dr. Horacio Herrero
(ambos miembros de CETA-UNC).
En cuanto al relevamiento del fondo, se realizaron 2, por un lado el tramo general con
secciones determinadas cada 200 m y por otro uno detallado sobre la primer curva (Figura
2.6b) con secciones equiespaciadas por 20 m.
En cuanto a las muestras de sedimento de fondo, se tomaron en puntos coincidentes con los
ya determinado en C2013 (puntos marrones, Figura 2.6b) y mediante el posprocesamiento
en laboratorio permitirá obtener en detalle la granulometría de fondo y los estadísticos y
frecuencias correspondientes. En el caso de los finos se tomaron muestras superficiales
(desde la embarcación) para luego realizar las determinaciones de las concentraciones y
sólidos disueltos. Ambos datos sedimentológicos permitirán calcular las tasas de transporte
23
de sedimento suspendido mediante la correlación entre señal acústica y concentraciones con
la herramienta ASET (Capítulo 3).
Figura 2.6- Región de estudio, secciones relevadas y puntos de muestreo de sedimentos y mediciones
estáticas durante campaña 2014b (C2014b).
Para evaluar los mecanismos de erosión y deposición de las márgenes sobre la curva de
análisis, se extrajeron muestras de una calicata de 1 m x 1 m en la región interna de la curva
como así también se tomaron muestras de superficie de la margen de un tramo previo y
posterior al ápice (puntos marrones, Figura 2.6b).
Por último, para relevar la ubicación y forma de la margen sobre la curva en estudio, se llevó
a cabo un relevamiento de esta con el equipo GPS. En total se cuantifico 1400 m con el
equipo GPS móvil (línea negra, Figura 2.6b).
24
relevándose un total de 7 secciones coincidentes con los ápices del tramo de estudio (línea
roja, Figura 2.7).
El fondo se midió con la ecosonda simple haz Raytheon, de la misma manera que en los
relevamientos previos (cocido batimétrico) en secciones distanciadas por 200 m (línea negra,
Figura 2.7).
Figura 2.7.-Región de estudio y secciones relevadas con ADCP (rojas) y ecosonda (negras) en campaña
2015 (C2015).
Figura 2.8.- Región de estudio, ubicación de secciones relevadas con ADCP (rojas), ecosonda (negras) y
localización de muestras de fondo durante la campaña 2016 (C2016).
26
Tabla 2. 2.- Detalle sobre las campañas realizadas: Fecha, zona, actividades (resumida).
27
2.4 El Sistema TELEMAC-MASCARET
El sistema numérico TELEMAC-MASCARET ha sido creado para la representación del
escurrimiento de un flujo a superficie libre utilizando la metodología de Elementos Finitos
y volúmenes finitos. El consorcio de desarrolladores se encuentra compuesto
por: Artelia (Francia), Bundes Anstaltfür Wasserbau (BAW, Alemania), Centre
✁✂✄☎ ✆✝ ✆✄ ✞✂✟✠✆✡✄☛✝✆ ✝☎✡ ☞✆✝ ✌☛✝✍☎✆✝✎ ☞✞✂✏✑☛✡✒✏✏✆✓✆✏✄✎ ☞✔ ✕✒✖☛☞☛✄✗ ✆✄
l'Aménagement (CEREMA, Francia), Daresbury Laboratory (Reino Unido), Electricité
de France R&D (EDF, Francia), and HR Wallingford (Reino Unido). Su actual desarrollo
y gran uso a nivel mundial se debe a las facilidades que el mismo ofrece para su puesta en
funcionamiento. Actualmente el código se encuentra liberado y es posible descargarlo para
diferentes sistemas operativos (Windows o de base Linux). Además cuenta con una página
web http://www.opentelemac.org/, en donde se puede acceder a manuales y casos prácticos
sobre los diferentes módulos con lo que cuenta TELEMAC-MASCARET. Estos son los
siguientes:
- TELEMAC 2D.Hidrodinámica bidimensional.
- TELEMAC 3D. Hidrodinámica tridimensional.
- SISYPHE. Transporte de fondo y sedimento suspendido.
- NESTOR. Modelación de operaciones de drenaje en ríos.
- MASCARET 1. Modelación hidrodinámica unidimensional.
-TOMAWAC. Propagación de olas en áreas costeras.
-ARTEMIS. Simulación numérica de propagación de ondas y agitación en puertos.
Cabe aclarar que en esta tesis solo se utilizaran los tres primeros módulos indicados
anteriormente.
TELEMAC-MASCARET se encuentra codificado en FORTRAN90 y es posible modificar
sus algoritmos para los casos que sean necesarios. Cabe destacar que se encuentra
potenciando debido a la capacidad de paralelización de los diferentes módulos.
2.4.1 TELEMAC 2D
El módulo TELEMAC 2D se utiliza para el cálculo de flujo en superficie libre bidimensional
en el plano horizontal. Las principales variables que se obtienen son profundidad de agua y
velocidad sobre las dos componentes del plano (x,y). TELEMAC 2D resuelve las ecuaciones
de Saint Venant (1871) usando el método de elementos finitos sobre una malla triangular.
TELEMAC 2D resuelve las siguientes 4 ecuaciones:
28
☞ ✒✆☎ ✟ ☎ ✟
☞✁ ✌ ✞✒✆ ✄ ✂ ✝ ✌ ✝✠✡☛ ✞✒✆ ✍ ✎✏ (2.1)
Donde:
x, y (m) coordenadas globales
H (m) profundidad en el nodo
Zs (m) cota de superficie de agua (sistema de referencia arbitrario), donde Zs=Zb+H
Zb (m) cota de fondo
✥✦✧ ★ ✩✥✪ ✫✬ vector velocidad
u, v (m/s) componentes de velocidad
T (g/l oºC) trazador pasivo o activo
g (m/s2) aceleración gravitatoria
vf, vT (m2/s) coeficiente de difusión turbulenta del flujo y trazador (respectivamente)
t (s) tiempo
Sh (m/s) fuente o sumidero de fluido
Sx, Sy (m/s2) fuente o sumidero en la ecuación dinámica
STr (g/l/s) fuente o sumidero de trazador
donde H, u, v y T son nuestras variables desconocidas.
Los términos de las ecuaciones previas son calculados en uno o más pasos (en el caso del
término de advección por el método de las características) de la siguiente manera.
✭ Advección de H, u y v.
✭ Propagación, difusión y términos fuentes de la ecuación de conservación (Ec. 2.1).
✭ Difusión y términos fuentes de la ecuación de transporte de trazadores.
En cuanto a la viscosidad turbulenta puede ser ingresada por el usuario (viscosidad
constante) o determinada a través del modelo de cierre de turbulenciak-✮ en donde se evalúa
la generación de energía turbulenta con la disipación (Hervouet, 2007) o por el método de
Smagorinski (1963).
Diferentes métodos para la representación de rugosidad de fondo es posible aplicar en
TELEMAC 2D, entre los que se encuentran:
- Ley de Haaland
29
- Ley de Chézy
- Ley de Strickler
- Ley de Manning
- Ley de Nikuradse
- Ley de la pared (solo en condiciones de borde)
- Ley de Colebrooke-White
Todas las leyes presentadas anteriormente se encuentran detalladas en Hervouet (2007).
Nótese que el valor de rugosidad para algunos de estos métodos anteriormente debe ser
impuesto por el usuario. Mas detalles se presentan en los Capítulos 4 y 5 de esta tesis.
2.4.2 TELEMAC 3D
El código TELEMAC 3D resuelve las ecuaciones tridimensionales para un flujo en
superficial libre (con o sin la hipótesis de la presión hidrostática) y el transporte-difusión con
las ecuaciones de cantidad de trazadores (e.g. temperatura, salinidad, sedimento). De esta
manera se obtiene la velocidad en las tres direcciones (x,y,z) y las concentraciones de
cantidades transportadas. TELEMAC 3D puede resolver mediante dos metodologías el
termino de presión, por un lado hidrostática y por otro no hidrostática. En el primer caso
utiliza las ecuaciones tridimensional de Navier-Stokes con superficie libre, despreciando la
variación de la densidad en la conservación de masa, plantea la hipótesis de presión
hidrostática (la presión en un punto dado es la suma de la presión de la atmosfera más el
peso del agua por arriba del punto) y desarrolla las aproximaciones de Boussinesq para
resolver la ecuaciones de momento. Debido a estas hipótesis las ecuaciones resultantes son
las siguientes:
☞✑ ☞✛ ☞☞
✌ ✌ ✍ ✄, (2.5)
☞✗ ☞✜ ☞
☞✑ ☞✑ ☞✑ ☞✑ ☞✕✖
✌✞ ✌☛ ✌ ✞ ✍ ✓✔ ✌ ✙✚ ✁☎✞✟ ✌ ✎✗ , (2.6)
☞✁ ☞✗ ☞✜ ☞ ☞✗
☞✛ ☞✛ ☞✛ ☞✛ ☞✕✖
✌✞ ✌☛ ✌ ✞ ✍ ✓✔ ✌ ✙✚ ✁☎☛ ✟ ✌ ✎✜ , (2.7)
☞✁ ☞✗ ☞✜ ☞ ☞✜
✕✖ ✍✎
✂ ✍ ✂☛✁☎ ✌ ✆✝ ✔ ☎✟✠ ✓ ✡✟ ✌ ✆✝ ✔ ✌ ✠✡ , (2.8)
✎✏
☞✢ ☞✢ ☞✢ ☞✢
✌✞ ✌☛ ✌ ✞ ✍ ✙ ✢ ✁☎✣ ✟ ✌ ✎✢✤ (2.9)
☞✁ ☞✗ ☞✜ ☞
Donde:
30
x, y, z (m) componentes del sistema cartesiano
Zs (m) cota de superficie de agua (sistema de referencia arbitrario), donde Zs=Zb+H
Zb (m) cota de fondo
H (m) profundidad
u, v, w (m/s) componente de velocidad en coordenadas x, y, z respectivamente
T (ºC, g/l) trazador
p presión
patm presión atmosférica
✂f (m2/s) coeficiente de difusión turbulenta del flujo
✂T (m2/s) coeficiente de difusión turbulenta del trazador
0 densidad de referencia
✁ delta de densidad
t (s) tiempo
Sx, Sy (m/s2) términos fuentes o sumidero en las coordenadas x e y
STr (unidades del trazador) fuentes o sumideros del trazador
En este caso H, u, v, w y T son cantidades desconocidas y que los trazadores pueden ser
activos o pasivos (i.e. afectan o no a la hidrodinámica). De manera generalizada los pasos
seguidos por TELEMAC 3D son los siguientes:
- El primer paso consiste en calcular la velocidad advectiva resolviendo solo los términos de
advección en las ecuaciones de momento.
- En el segundo paso se calcula las nuevas componentes de velocidad utilizando los
componentes de velocidad advectivas calculadas en el paso anterior, y teniendo en cuenta
los términos difusivos y fuentes de la ecuación de momento. Esto permite obtener un campo
de velocidades intermedias.
- En el tercer paso se obtiene la profundidad de agua por la integración vertical de la ecuación
de continuidad y de momento, solamente incluyendo el termino de presión (todos los demás
términos ya han sido tomados en cuenta en los pasos previos). Esto resulta en las siguientes
ecuaciones:
☞ ☞✒✑ ✁ ☞✒✛ ✁
☞✁ ✌ ☞✗ ✌ ☞✜ ✍ ✄ , (2.10)
☞✑ ☞✕✖
☞✁ ✍ ✓✔ ☞✗ , (2.11)
☞✛ ☞✕✖
☞✁ ✍ ✓✔ ☞✜ (2.12)
31
donde u y v son las variables bidimensional de velocidad en x e y (respectivamente) producto
de la integración vertical. Estos pasos lo resuelve a través de TELEMAC 2D. Por último, u
y v son calculadas por la combinación de ecuaciones (Ecs. 2.6 y 2.7) y w es computada de
la ecuación de continuidad (Ec. 2.5). Para el caso no hidrostático, TELEMAC 3D utiliza la
ecuación de continuidad y momento indicada previamente (Ecs. 2.5, 2.6 y 2.7), aunque
introduce una tercera ecuación para w:
☞☞ ☞☞ ☞☞ ☞☞ ✘ ☞☞
✌✞ ✌☛ ✌ ✞ ✍ ✓ ✓ ✔ ✌ ✙✚ ✁☎✞ ✟ ✌ ✎ (2.13)
☞✁ ☞✗ ☞✜ ☞ ✎☞
✕✖ ✍✎
✂ ✍ ✂☛✁☎ ✌ ✆✝ ✔ ☎✟✠ ✓ ✡✟ ✌ ✆✝ ✔ ✌
✕ ✎✏
✠✡ ✌ ✂☛ (2.14)
2.4.3 SISYPHE
Nótese que TELEMAC 2D permite acoplarse a un módulo de cálculo de transporte de
sedimento denominado SISYPHE (Tassi, 2017). De esta manera es posible realizar cálculos
del transporte de sedimento para los mecanismos existentes, hablamos de fondo, en
suspensión o carga de lavado. Uno de los parámetros más importantes que vincula ambos
módulos (TELEMAC 2D y SISYPHE) es la tensión de corte de fondo ✩✞✁ ✬, definida:
✟ ✟ ✝✠✡
✂✄ ✍ ✄☎✆✆✝✚ ☎✞ ✌ ☛ ✟ (2.15)
32
✥✆ ★ ✌✞✁ ✄✞.
Para el cálculo del caudal transportado en fondo (Qb), SISYPHE pone a disposición
diferentes ecuaciones, muchas de ellas asume la existencia de una capacidad transporte,
iniciada con el desplazamiento de la partícula. Estas fórmulas relacionan la tensión
adimensional de corte de fondo debida al flujo y la tensión crítica de corte o parámetro de
Shields para el cálculo de una tasa de transporte adimensional, como:
✍ ☛☞ (2.16)
✄
✁✂✒✠☎✘✁✝✟✠✡
✓ ✔ ✍ ✒✎✖☎✕✖✎✁☞✂✝✗✏ (2.17)
siendo ✘ un factor de corrección de la rugosidad del fondo (dependiente de las formas del
fondo presentes, ver Tassi, 2017).
Existen diferentes formulaciones semiempíricas (Garcia, 2008) para el cálculo de Qb, entre
las que SISYPHE se encuentran: basadas en la capacidad de transporte, Meyer-Peter y
Muller, 1948; van Rijn, 1984; Hunziker, 1995), basadas en conceptos de energía (Engelund
y Hansen, 1967) o de derivaciones estadísticas (Einstein, 1950; Bijker, 1968). Cabe destacar
que el rango de aplicabilidad de estas formulaciones se encuentra limitado por el tamaño del
grano que se quiere modelar (Tassi, 2017).
En cuanto al transporte de sedimento suspendido (D50> 0.060mm, material no cohesivo),
SISYPHE asume que el perfil vertical de concentraciones desarrollado por la partícula es el
propuesto por Rouse (1937):
✮ ✮
donde Cref es la concentración de referencia (a la altura de referencia a= H, con =0.05) y
NR es definido como el número de Rouse de la siguiente manera:
33
✞☛
☞
✍ ☞✑✖ (2.19)
✆
34
2.4.4 Equipamiento para modelación numérica
Es importante destacar que la estación de trabajo con la que contamos tiene un total de 12
núcleos, dadas por las características de un procesador Intel Xeon Processor E5-2620 v3
(6C, 2.4GHz, Turbo, HT, 15M, 85W). Dicho procesador se encuentra paralelizado para la
optimización del cómputo a gran escala con el uso de la subrutina OPENMPICH. Además
la estación cuenta con un total de 64Gb de RAM y un RAID 10 para la optimización de
lectura y escritura de datos.
35
CAPÍTULO 3: Acoustic Sediment Estimation Toolbox (ASET):
Una Herramienta para la Calibración y Cálculo de Transporte
de Sedimento Suspendido usando la Señal Acústica
3.1 Introducción
La cuantificación de sedimento suspendido es sumamente importante para la gestión y
manejo de los cauces naturales. Su correcta medición genera desafíos en el ámbito ingenieril
y científico. Más aún sobre grandes ríos, donde los procesos de erosión y deposición
interactúan fuertemente con los proyectos ingenieriles tales como tomas de agua, rutas de
navegación, puertos, puentes, diques, que se vinculan al desarrollo de los asentamientos
poblacionales.
Los relevamientos tradicionales para el cómputo del transporte de sedimento suspendido
requieren de la toma de muestras, el subsiguiente análisis en laboratorio y la medición en
simultáneo del flujo. Estos métodos son laboriosos, y demandan un tiempo
considerablemente elevado, ya sea de trabajos de campo, como de posprocesamiento en
laboratorio (Anderson et al., 2010). Cabe resaltar además que aunque los métodos
tradicionales representan una medición directa del transporte de material, la resolución que
ofrecen es limitada espacial y temporalmente, más aún en grandes ríos.
Dadas estas limitaciones, en las últimas décadas han surgido nuevas tecnologías para el
monitoreo de transporte de sedimento (Anderson et al., 2010; Gray y Gartner, 2009). En este
sentido, el uso de los perfiladores acústicos Doppler (ADCP), los cuales originalmente
fueron desarrollados para medir el caudal, han sido reconocidos para proveer información
cuantitativa de las concentraciones de sedimento suspendido (Reichel y Nachtnebel, 1994;
Gartner, 2004; Szupiany et al., 2007; Latosinski et al., 2014; Venditti et al., 2016). Además
del buen rendimiento ya demostrado por estos equipos (Gartner, 2004; Moore et al., 2012;
Latosinski et al., 2014; Lopez Weibel et al., 2015, entre otros), se encuentran los beneficios
asociados a la obtención en simultáneo del flujo y concentración del sedimento, con una
elevada resolución espacial y temporal.
A pesar de las evaluaciones del uso de la tecnología acústica para la estimación del transporte
de sedimentos, no existe hasta el momento una herramienta que permita el procesamiento
de la información tanto para la calibración e implementación, a fin de agilizar el tratamiento,
obteniendo similares resoluciones espacio-temporal que la del flujo. En este sentido, ya
existen herramientas que permiten el posprocesamiento de los datos del ADCP (Velocity
Mapping Toolbox, VMT, Parsons et al., 2012).
36
Por lo indicado anteriormente en este capítulo se presenta una nueva herramienta
computacional, la cual llamaremos Acoustic Sediment Estimation Toolbox (ASET).
Desarrollado en MATLAB, ASET estima las concentraciones del sedimento suspendido del
fondo a través del análisis de la señal acústica utilizando metodologías ya desarrolladas por
el grupo de investigación marco (Latosinski et al., 2014; Lopez Weibel et al., 2015; Szupiany
et al., 2017). ASET combina la velocidad de flujo, intensidad acústica e información
batimétrica medida por los ADCP para calcular el transporte total de sedimento suspendido
de fondo (Gss) en una sección transversal a través de mediciones en forma dinámica. A la
vez permite la visualización de todas las variables de interés, hablamos de la distribución de
sedimento suspendido de fondo (Css), la velocidad en la dirección del flujo (u) y el transporte
(Gss). Cabe destacar que ASET usa algoritmos que permiten el cálculo de variables
hidrodinámicas y sedimentológicas en zonas no medidas por el equipo ADCP (cerca de
fondo y superficie), mediante diferentes métodos de extrapolación sobre los datos medidos.
A continuación se describen las operaciones más relevantes de la herramienta computacional
ASET. Para finalizar, se evalúa su rendimiento sobre 6 secciones transversales del cauce
principal del río Paraná y su tributario (río Colastiné) y se contrastan dichos resultados con
los datos medidos por métodos tradicionales.
37
La Figura 3.1 muestra el diagrama de flujo de ASET, allí se resume los pasos que realiza el
código desde la incorporación de archivos hasta la obtención de resultados, como los
distintos módulos que integran a la herramienta.
Cabe destacar que hasta el momento ASET solo procesa señales de dos frecuencias de
equipos provistos por Teledyne RD Instruments (i.e. ADCP 600 kHz y 1200 kHz), futuras
mejoras están previstas en cuanto a la incorporación de datos de diferentes frecuencias y
fabricantes.
38
de retorno estará en directa relación con la concentración de sedimentos.
Las ecuaciones que gobiernan el rebote acústico producido por las partículas presentes en
suspensión fueron publicadas en las últimas décadas por diferentes autores (Thorne et al.,
1993; Schaafsma y Hay, 1997; Holdaway y Thorne., 1997; Creed et al., 2001; Poerbandono
y Mayerle, 2002; Thorne y Hanes, 2002; Gartner, 2004; Wall et al., 2006; Topping et al.,
2007; Wright et al., 2010).
La intensidad de la señal dispersada por una nube de partículas en suspensión (denominada
comúnmente como backscatter volumétrico), Sv, se define como la suma del backscatter de
las partículas individuales por unidad de volumen. Además, para usos prácticos, se
consideran las propiedades medias de las partículas. Por lo tanto, Sv puede ser definido a
través de la Ec. 3.1.
✎✛ ✍ ✄ ✄ ✁✂ ✘✝ ✄
✞ ✝☎ ✆ ✠ (3.1)
Donde los valores medios esperados se indican entre paréntesis y, por lo tanto, el término
densidad s Ec. 3.2, se deduce la relación entre la intensidad del backscatter y la masa de
sedimentos en suspensión en la unidad volumen (es decir, la concentración de sedimentos)
tal como se presenta en Ec. 3.3.
✠ ✠ ✍ ☛
✡
☞ ✆✠ ✞✄ ✝✌☎✡ ✆ (3.2)
✎✛ ✍ ✄ ✘✝ ✖ ✖
✡✍ ✎✏ ✑
✄ ✁✂
☛✒ ✎✖ ✎✤✓✡ ✑ (3.3)
39
equivalente promedio. En cuanto al problema inverso, dada una intensidad de backscatter
medida, y un tamaño de partícula promedio asumido, la misma Ec. 3.3 puede ser resuelta
para evaluar la concentración de sedimentos.
En todos los casos, la intensidad de backscatter está relacionada a la sección transversal de
una partícula individual a través de una función de dispersión, Ec. 3.4.
✟ ✟
✠
☎ ✍ ☎✌☎ ✞ ✟✂✄ (3.4)
Donde f es el denominado factor de forma (Thorne y Hanes, 2002). Para un radio de partícula
dado, el factor de forma sólo depende de la frecuencia acústica aplicada y su variación se
describe como el producto entre el radio de la partícula y el número de onda acústica (k)
(Thorne y Hanes, 2002) denominado como kp.
Cuando se hace referencia a una nube de partículas de forma irregular, típico caso del
material de fondo en suspensión en corrientes naturales, la formulación presentada por
Thorne y Meral (2008) se puede aplicar para estimar f, i.e. f 1.25kp2 y f ✁ 1.1 para
régimen de Rayleigh (kp<1) y dispersión geométrica (kp>>1), respectivamente.
Combinando las Ecs. 3.3 y 3.4 e introduciendo la función de intensidad de backscatter por
sedimentos, Ec. 3.5. Donde t es tiempo, Rt la profundidad (descompuesta por el ángulo del
haz 20º) y Sv es la intensidad de backscatter volumétrico, puede ser escrita como la Ec. 3.6:
☞ ☞
✡✎✤✓ ✚ ✑
☎✠ ☎✆✝ ✟✁ ✟✟
✡✎✏✖ ✑
(3.5)
✘☛✒☞ ✖ ✎✤✓
✍ ✍
✎ ✡✑ ✎
✘☛✒ ✖ ✎✤✓
✡✑
✄ ✟
✎✛ ✍ ✄ ✝ ☎✠ ☎✆✝ ✟✁ ✟ ✠✠ ✟
✁✂ ✘ ☎ (3.6)
40
backscatter volumétrica corregida (Sc en dB), recibiendo una intensidad de potencia I (RL en
dB con la misma intensidad de referencia arbitraria Iref que EL). En condiciones ideales, la
intensidad recibida es proporcional al nivel emitido y la intensidad de backscatter corregida
(i.e. Sv-Sc en dB). Por lo tanto, una simple igualdad puede ser escrita en escala de dB (Ecs.
3.7 y 3.8):
✓✞ ✌ ✎✛ ✓ ✎☛ ✍ ✟✞ (3.7)
✄ ✏ ✄ ✁✂✘✝ ✌ (3.8)
✄ ✁✂✘✝ ✌ ☞✁ ✂ ✌ ✎✛ ✓ ✎☛ ✍ ✄
☞✁
✂
Donde la corrección Sc se expresa por medio de: i) el coeficiente de absorción (✄w) debido a
la viscosidad del agua, que puede expresarse en dB/m siguiendo, entre otros, a Marsh y
Schulkin (1962), ii) el coeficiente de absorción debido a la dispersión y efectos viscosos (✄s)
que producen los sedimentos (Urick, 1948; Thorne y Hanes, 2002; Latosinski, et al., 2014),
iii) corrección de la dispersión del haz en la zona de campo cercano del transductor mediante
el coeficiente ☎ (Downing et al., 1995).
Sin embargo, es importante tener presente algunos conceptos básicos: i) la señal recibida en
el transductor se modela utilizando la definición de backscatter que dan cuenta de la
dispersión geométrica en el camino de regreso, por lo tanto, el balance debe dar cuenta de la
dispersión esférica en el camino desde el emisor hacia las partículas; ii) los dos caminos de
propagación de la señal desde el emisor a las partículas y su regreso implica la absorción del
sonido en los caminos que no se contabiliza en la definición de backscatter y por lo tanto
debe ser contabilizada en el balance; iii) el coeficiente Ks Ec. 3.11 modela el backscatter de
los sedimentos, pero no tiene en cuenta otras posibles fuentes de reverberación del sonido
bajo el agua (por ejemplo, la dispersión de burbujas de aguas, materia orgánica, flóculos,
etc.).
Un concepto importante es que la señal recibida puede ser dividida en una porción deseada
y otra no deseada. Esta última se conoce comúnmente como el nivel de ruido de fondo o
enmascaramiento, Ibn. Este nivel de ruido, producto del instrumento mismo y de las
condiciones de ambiente, deteriora la señal de interés producto de las partículas suspendidas,
Isd. D✛ ✆✛✓✆✖ ✗✏ ✣✛ ✏✗ ✕✛ ✒✛✘✖✒✔✖ ✖✑✘✛✔✙✕✏ ✂✖✒ ✛✗ ✁✆✢✁ ✛✔ ✄✔✙✕✏✕✛✣ ✂✄
✓✖✄✔✘✣ ✎ ✒✛✂✒✛✣✛✔✘✏
✝✟ ✒✟✠✟☞✡
✟✞ ✍ ✄✄ ✁✂✘✝ ☎✄✄ ✏
✍ ✓ ✄✟ (3.9)
41
Donde E es la señal producida por los sedimentos suspendidos, Er es el ruido del instrumento
y del ambiente y kc es un factor de conversión entre counts y dB, que está disponible por
requerimiento al fabricante (RD Instruments, 1999).
Dado que para cada ambiente fluvial se desconoce la parte no deseada de la señal recibida,
la Ecs. 3.7 a 3.9 se deben corregir para la intensidad de backscatter que no dependen de los
sedimentos de interés. Por lo tanto, se propone una expresión general del equilibrio entre la
señal recibida en el transductor y señal propagada:
✝✟ ✒✟✠✟☞✡
✓✞ ✌ ✎✛ ✓ ✎☛ ✍ ✄✄ ✝ ✄
✁✂ ✘ ☎✄ ✍✏ ✓ ✄✟ (3.10)
✍✎✒✏✑✏✓✔ ✦ ✦
✄ ✁✂☎☛✆ ✒✞✝☛ ✟✝☛ ✌ ✞✝✠ ✟✝✠ ✁ ✡ ✄ ✁✂☎☛✆ ☞✄ ✕✖ ★ ✄✗ ✌ ✘✒✙✚ ✌ ✙✝ ✁✛✜ ✌ ✄ ✁✂☎☛✆ ✢✣✤✥✤ ✧ ✪ ✌ ✫✬ (3.11)
★✩✤
✁✂ ✘ ✝✮✠✠ ✟ ✟ ☎✠
☎ ✁✟ ✟
✯ ✍ ✄ ✄ ✮✎✢ ☎✟✁ ✟✯ ✌ ☎✢
☎ (3.12)
42
Donde KT incluye los parámetros del instrumento (i.e., Cr, Pt, L, y Er) y ST es la señal
corregida Ec. 3.13.
La Ec. 3.13 es lineal e indica que si se utilizan los valores de la señal del equipo corregida y
los de concentración de sedimentos, se puede obtener la pendiente y ordenada al origen de
su regresión (iguales a 0.1 y a la constante KT, respectivamente).
La potencia de transmisión (Pt) depende de la corriente (TC) y el voltaje (TV) transmitido,
los cuales cambian en función de la fuente de alimentación de energía utilizada (i.e. baterías
o corriente alterna). La longitud transmitida (L) es proporcional al pulso acústico emitido.
De lo presentado anteriormente, se desprende que la característica de los instrumentos
acústicos más importante es la frecuencia de la señal emitida. La sensibilidad del rebote de
la señal en las partículas y la atenuación del sonido que se produce por la presencia de las
mismas depende de la frecuencia, jugando un papel relevante. De hecho, el factor de forma
( f ) el cual representa la sensibilidad de la señal en el rebote de las partículas y el coeficiente
de absorción de sonido debido a la suspensión de sedimentos (✄s) depende del producto entre
el número de onda y radio de la partícula (Thorne y Meral, 2008).
43
declinación magnética), ii) y el segundo *.PD0 (llamado desde aquí PD0) que guarda todos
los parámetros medidos en cada relevamiento realizado, necesarios para la resolución de la
Ec. 3.11 (e.g. retorno acústico, velocidades, temperatura del agua, entre otros). La secuencia
de lectura es la siguiente: primero el archivo mmt es leído y luego el usuario escoge él o los
archivos PD0 que se correlacionan con los datos de cada muestra extraída. Para la lectura de
este último ASET utiliza un código desarrollado por el USGS llamado pd0read.m (David
Mueller, comunicación personal). Una vez leído el PD0, es necesario incorporar los datos
sedimentológicos correspondientes a cada medición acústica (esto se verá de manera
detallada a través de un ejemplo en la Sección 3.5 de este capítulo). Los datos
sedimentológicos necesarios para esta calibración son: i) diámetro medio de la fracción fina
Df (i.e., carga de lavado con D<0.063 mm), ii) concentración de fracción fina suspendida
Cw, iii) diámetro medio de la fracción gruesa (Dc) (i.e., arenas con D>0.063 mm), iv)
concentración de fracción gruesa suspendida (Css) y v) profundidad correspondiente de la
muestra. Nótese que Df y Dc se refieren a un diámetro representativo D50 para cada fracción
(i.e. fracción fina y gruesa, respectivamente).
Posteriormente se realiza dos tipos de evaluaciones. La primera consiste en corroborar que,
de acuerdo a la distribución granulométrica del material en suspensión, la señal de retorno
este gobernada por la fracción gruesa de acuerdo a las suposiciones de la metodología
planteada (Ec. 3.12). La segunda evaluación trata de calcular el coeficiente de determinación
r2 (Miles, 2014) de la relación entre la concentración puntual medida y calculada por Ec.
3.11, considerando en esta un valor medio de Er (promedio de los valores Er obtenido para
cada muestra puntual). El usuario deberá realizar la evaluación de la calibración, sin embargo
ASET define (y guarda la información correspondiente) la calibración como aceptable si
r2>0.8.
correspondientes.
Por último, se destaca que para todas las metodologías de lectura disponibles, y presentadas
anteriormente, es necesario realizar la incorporación por única vez el archivo de calibración
descripto en la sección 3.4.1. Solo cuando se cambie de sistema en estudio será obligatorio
llevar a cabo una nueva calibración.
donde i y j son los subíndices que indican la ubicación de la celda, en profundidad y número
de vertical, respectivamente, Cssij es la concentración del sedimento suspendido (de Ec.
3.11), uij es la velocidad en la dirección del flujo (dato de ADCP) y Aij es el área de la celda
en cálculo.
47
tres celdas válidas de las zona adyacente, tanto para la velocidad como para las
concentraciones. Así, por cada vertical, las primeras y últimas tres celdas válidas son
utilizadas para realizar un ajuste lineal y luego la extrapolación en las celdas generadas en
la zona no medida. En el caso que la vertical no presente celdas validas suficientes para la
extrapolación, i.e. un mínimo de tres puntos, ASET extrapola con un valor constante igual
al promedio de las celdas medidas en la vertical.
✞ ✍ ✞✤ ✡ ✌ ✞✤ (3.15)
donde u es la velocidad del flujo de cada celda a una altura z (dato medido por el ADCP) y
Ar y Br son los coeficientes de la expresión lineal (pendiente y ordenada al origen del ajuste
logrado con los datos, respectivamente).
Para cada vertical, se calcula las variables Ar y Br utilizando todos los datos de velocidad
medidos en cada vertical para luego extrapolar el ajuste a la zona no medida tanto de
superficie como de fondo. Cuando la Ley de la Pared no es válida (tomando como criterio
cuando el coeficiente de regresión r2<0.8) ASET automáticamente utiliza para esa vertical
el método de LE o un valor promedio, como se indicó en el ítem anterior.
✒ ☎ ✁✂ ☛☞
✝✞✞ ✍ ✝✤✕✚ ✒✒ ☎☛✁✂☛✁ (3.16)
✍ ☞ ✑✖
☞
✞☛ (3.17)
✆
✒ ☎ ✁✂
✁✂ ☎✝✞✞✟ ✍ ✁✂ ☎✝✤✕✚ ✟ ✌ ✞☛ ✁✂ ✒
✒ ☎☛✁✂☛✁
(3.18)
Se logra así una ecuación lineal, donde es posible ajustar el primer término de la derecha, y
la pendiente NR (Ec. 3.18). Con el ajuste de la Ec. 3.18 se extrapola Css en la zona no medida
cercana a superficie y fondo.
Cabe destacar que el método de Rouse (RoD) no puede ser aplicado en el caso que se cuente
con menos de 3 celdas validas por vertical, en ese caso ASET extrapola con un valor
promedio obtenido de las celdas disponibles.
Los métodos de extrapolación previamente detallados, pueden ser combinados de manera
independiente para cada variable (velocidad o concentraciones de sedimento suspendido de
fondo). Por lo tanto, el usuario debe evaluar el método que mejor se ajuste a las condiciones
del cauce.
Una vez calculada la velocidad del flujo y las concentraciones de sedimento suspendido de
fondo en la zona no medida de superficie y fondo, se aplica las Ecs. 3.19 y 3.20, para el
cálculo de transporte en las zonas no medidas (✔✞✞☛✂ ✄✠ y✔✞✞ ✂ ✄✄ ):
49
✞✞✞✄✠ ✍ ✄ ✔✞✞ ✂ ✄
☛ ☛ ☛ ☛ ☎✕☛ ☛☛☛ ☛ ☛☛ (3.21)
☛✕✤☛☛ ☛ ☛ ✠✑☞✕✤✚ ☛ ✕
✞✞✞✄☎ ✍ ✄ ✔✞✞☛✂ ✄ ☛ ☛
☛ ☎✕☛ ☛☛☛ (3.23)
Cabe destacar que Gw se calcula con el valor de Cw ingresado por el usuario en el panel
inicial. Esta simplificación se basa en que la distribución en la vertical y a lo largo de la
sección, el perfil de concentraciones es constante para el material fino (Amsler y Prendes,
2000).
50
medida como no medida. En este módulo de comprobación de resultados (Figura 3.3) es
posible realizar un análisis exploratorio de los perfiles de velocidad y concentración, y el
parámetro estadístico de los respectivos ajustes para cada vertical.
51
3.5 Aplicación y validación
En esta sección se presenta la aplicación y validación del ASET correspondiente a
relevamientos realizados sobre 6 secciones transversales en el río Paraná en su tramos medio
en las cercanía de la localidad de Lavalle (Corrientes) (secciones P1-P3) y sobre su cauce
secundario (Río Colastiné) cerca de la localidad de Santa Fe (secciones C1-C3) (Figura 3.4).
Figura 3. 4.- Secciones transversales medidas en las que se aplicó ASET en el sistema del río Paraná.
Secciones P1, P2 y P3 ubicadas sobre el cauce principal y C1, C2 y C3 sobre el río Colastiné.
52
hidrométricas presentes y los detalles de los aforos sólidos empleando métodos tradicionales.
Tabla 3. 1.- Características principales del método tradicional de medición llevado a cabo en el río Paraná y
Colastiné.
Método de Número
Sección NH Q H
Lugar Fecha B [m] extracción de
transversal [m] [m3/s] [m]
de muestras verticales
Paraná (P1) Lavalle 31/05/11 3.5 17921 5.2 2000 *Integrada 8
Paraná (P2) Lavalle 20/07/11 3.67 18753 5.8 2580 *Integrada 8
Paraná (P3) Lavalle 24/08/11 5.2 23346 6.3 2520 *Integrada 8
US P-61,
Colastiné (C1) Santa Fe 17/03/14 2.81 1513 3.2 345 7
puntual**
Colastiné (C2) Santa Fe 26/04/10 4.67 2607 3.6 400 *Integrada 8
Colastiné (C3) Santa Fe 08/09/10 2.53 1650 3.7 380 *Integrada 8
*Muestras tomadas de manera integral sobre cada vertical (Latosinski et al., 2014).
**Muestras puntuales con US P-61 (5 puntos sobre 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, y 0.9 de la profundidad total H, Szupiany
et al., 2017).
Lo primero que se llevó a cabo fue la calibración con el módulo integrado de ASET,
descripto previamente en ítem 3.4.1. Para ello, y de acuerdo al grado de detalle de los
relevamientos realizados, se utilizaron los correspondiente a la campaña C1, con un total de
35 muestras (ver detalles en Szupiany et al., 2017). La Figura 3.5 muestra el resultado de la
calibración para los datos correspondientes. En esa figura se observan dos gráficas: la
primera correspondiente a la relación entre las concentraciones de las muestras puntuales
con los datos de la señal acústica corregida, i.e. Css vs. ST (Ec. 3.12). La segunda la relación
entre las concentraciones de sedimento suspendido de fondo calculado y medido (utilizando
el valor calibrado de Er en Ec. 3.11). Cabe destacar que la calibración lograda por ASET
coincide con cálculos realizados con planillas de cálculo (Szupiany et al., 2017) , validando
el esquema de cálculo utilizado por ASET.
Lograda la calibración, se llevó a cabo el cálculo de Gss sobre las 6 secciones transversales.
La Tabla 3.2 muestra Css, Cw y Gss calculados por el método tradicional (columnas 2, 3 y
4, respectivamente). En columnas 5 a 11 de la Tabla 3.2 se presentan los resultados de ASET
para las zonas medidas y extrapoladas (en superficie y fondo) utilizando diferentes
combinaciones de los métodos de extrapolación. Cabe destacar que en secciones P1, P2, P3
y C2-C3 las muestras integrales en la vertical no cubrieron las zonas no medidas en la
cercanías del fondo (Latosinski et al., 2014), por lo que la comparación del transporte
calculados por el método acústico (ASET) se debe realizar solo con la suma del transporte
en zona medida (Gssm) y estimada en superficie (Gsss).
53
r2=0.74 r2=0.81
Figura 3. 5.- Panel de calibración de ASET con todos los PD0 leídos (izquierda), las curvas de calibración
logradas siguiendo las Ecs. 3.11 (derecha) y 3.12 (centro) y la tabla con datos sedimentológicos introducidos
(inferior).
En Tabla 3.2 se destaca los buenos resultados del método acústico y la aplicación del ASET
cuando el valor de transporte es comparado con el método tradicional (columnas 12 y 13)
con desvíos menores al 50 %, aceptable de acuerdo a la incertidumbre en la estimación y
medición del transporte de sedimentos. La combinación de los métodos de extrapolación
RoD/LW produce los mejores resultados, con una diferencia de ± 19% en promedio y un
máximo de + 43%, mientras cuando se aplica el método LE, con diferencias ± 26% y
máximo de + 50%.
Tabla 3. 2.- Resultados del transporte de sedimento suspendido con ASET y mediante los métodos
tradicionales anteriormente expuestos para las secciones transversales medidas.
Las Figuras 3.6 y 3.7 muestran los campos de concentraciones de sedimento suspendido de
fondo y velocidad del flujo para todas las secciones transversales analizadas. Es de destacar
la elevada resolución espacial lograda, lo cual permite el estudio de la dinámica hídrica y
54
sedimentológica con un detalle imposible de alcanzar con método tradicionales. En este
sentido ASET, brinda una forma eficiente y rápida para el tratamiento de la información.
Figura 3. 6.- Campo de concentraciones de sedimento suspendido de fondo y velocidad de flujo sobre las
secciones del río Colastiné (C1, C2 y C3) generadas por ASET.
Figura 3. 7.- Campo de concentraciones de sedimento suspendido de fondo y velocidad de flujo sobre las
secciones ubicadas sobre el cauce principal del río Paraná (P1, P2 y P3) generadas por ASET.
55
3.6 Conclusiones
En el presente capítulo se presenta la herramienta computacional, denominada Acoustic
Sediment Estimation Toolbox (ASET), la cual permite el procesamiento de mediciones con
ADCP para estimar el transporte de sedimentos de fondo en suspensión, de acuerdo a la
metodología propuesta por Szupiany et al. (2017). Esta útil interfaz fue desarrollada en
MATLAB, para obtener de manera sencilla y rápida la calibración y aplicación a fin de
relacionar las concentraciones del material que se encuentra en suspensión con la intensidad
del rebote acústico registrados (Deines, 1999; Latosinski et al., 2014; Szupiany et al., 2017,
entre otros) por los equipos ADCP Río Grande Teledyne RDI de 600 kHz y 1200 kHz. ASET
calcula la concentración de sedimentos suspendidos y el transporte de dicho material ya sea
de una medición estática, transectas individuales, individuales o múltiples transectas
procesadas previamente con VMT. Es de destacar que esta herramienta fue fundamental y
necesaria para lograr los objetivos de la presente tesis, lo cual involucran el procesamiento
de un importante volumen de información recolectada en campo.
Los métodos de extrapolación proporcionados por ASET para las velocidades de flujo (LE
o LW) y las concentraciones (LE o RoD) permiten la estimación en la zona no medida por
los ADCP. En este sentido, y de acuerdo a las características de los cauces analizados, los
métodos no lineales (RoD, LW) presentaron mejores resultados en la estimación del
transporte. Sin embargo, se recomienda una evaluación previa por parte del usuario sobre
que método se ajusta de la mejor manera en el cauce a analizar.
La comparación del método de aforo sólido tradicional y el ASET muestra un rendimiento
aceptable de esta técnica, con diferencias máximas inferiores al 50% para todos los casos.
Este resultado presenta un gran impacto para la comunidad científica que trabaja en los en
grandes ríos del mundo, donde las mediciones tradicionales a menudo resultan
operativamente difíciles de llevar a cabo, con altos costos, bajas resoluciones espaciales,
peligrosidad en las maniobras involucradas y elevados tiempos de procesamiento de la
información.
Finalmente, ASET proporciona una alta resolución espacial y temporal para la distribución
de las concentraciones de sedimentos suspendidos de fondo, como se ve en las Figuras 3.6
y 3.7. Esta resolución lograda permite un mayor entendimiento de los procesos
sedimentológicos y su interacción con la hidrodinámica, requisito para el avance del
conocimiento de, en especial, grandes sistemas como el del río Paraná.
Como actividades futuras, se prevé aumentar el rango de aplicabilidad del ASET a otros
instrumentos acústicos, abarcando más frecuencias de trabajo y compañías (e.g. equipos
marca Sontek). También se pretende incorporar al código el cálculo de variables
56
sedimentológicas e hidráulicas, tales como tensiones de corte, que permitan una mayor
comprensión de los procesos físicos actuantes en cauces naturales.
57
CAPÍTULO 4: Dinámica Hidrosedimentológica en Zona de
Embocadura del río Colastiné
4.1 Introducción
Los ríos de cauces múltiples (denominados 'anabranching' en la literatura en inglés) han sido
definidos como sistemas multicanalizados o de cauces múltiples debido a la división del
flujo por la presencia de bancos e islas (Nanson y Knighton, 1996; Nanson, 2013). La
particularidad de éstos se encuentra en su activa dinámica morfológica caracterizada por un
continuo reordenamiento producto de los procesos que ocurren en sus unidades de
expansión, bifurcación, confluencia y curvas. Un claro ejemplo de este tipo de sistemas
fluviales es el río Paraná (Latrubesse, 2008), donde el flujo sufre continuos cambios debido
a las unidades geomorfológicas antes mencionadas. Particularmente las bifurcaciones son
unidades fundamentales, y tal vez las más importantes en el comportamiento de estos
sistemas. Como se dijo anteriormente (Figura 1.1), en el Paraná se generan sucesivas
divisiones del flujo producto de la presencia de bancos e islas (Bifurcaciones Tipo I),
características de su configuración entrelazada, como así también de sus cauces secundarios
que escurren sobre la planicie de inundación (Bifurcaciones Tipo II) y que transfieren agua
y sedimento desde el cauce principal hacia y desde ella.
Estas unidades son extremadamente inestables (Hoey, 1992; Bolla Pitaluga et al., 2003), en
donde pequeños cambios en la geometría de la bifurcación o condiciones aguas arriba
pueden afectar fuertemente la partición del flujo y sedimento hacia los cauces aguas abajo,
modificando la morfodinámica del conjunto de las unidades expansión-bifurcación-cauces
secundarios-confluencia. Por lo tanto, la estabilidad y el desarrollo de las bifurcaciones
pueden llevar a cambios sustanciales hacia aguas abajo con pérdida o ganancia de tierras que
amenazan e impactan los asentamientos poblacionales y los hábitats ecológicos del sistema
fluvial.
En particular, los cauces secundarios del río Paraná pueden dividirse en: i) aquel producto
de las Bifurcaciones Tipo I, que dependen del cauce principal, y ii) en cauces secundarios
producto de las Bifurcaciones Tipo II que nacen en el cauce principal y escurren sobre la
llanura aluvial con longitudes mucho mayores que los primeros.
El tramo en donde se centran los estudios del presente capítulo (zona denominada Chapetón,
río Paraná), presenta la particularidad de comprender ambos tipos de cauces secundarios, i.e.
la presencia de bifurcaciones múltiples sobre su cauce principal (producto de islas y bancos)
y aquella producida por el río Colastiné.
58
Por lo tanto, cualquier cambio que se produzca en esta compleja configuración, puede afectar
notablemente las condiciones en el cauce principal (con impacto, por ejemplo, en la
navegabilidad), el ingreso del flujo y sedimento al río Colastiné, o los asentamientos
poblacionales ubicados aguas abajo (Santa Fe, Colastiné, y Rincón, entre las localidades
relevantes de la región), donde se localizan además obras estratégicas como ser la toma y
conducción de agua potable, cloaca mayor de la ciudad de Santa Fe, autovías nacionales e
importantes conexiones viales provinciales, puentes y obras de protección de márgenes.
A pesar de su rol clave en este tipo de sistemas fluviales, las bifurcaciones han sido
históricamente postergadas en investigación (Best et al., 2007; Szupiany et al., 2012), donde
la mayoría de los trabajos publicados en materia de nodos de ríos se han centrado en la
interacción entre morfología y flujo, pero en confluencias de dos cauces, es decir, el proceso
posterior a la bifurcación (Klaassen y Vermeer, 1988; Bristow y Best, 1993; Best y
Ashworth, 1997; Szupiany et al., 2009; Constantinescu et al., 2012; entre otros).
Recién en la última década se han producido importantes avances científicos (ver Kleinhans
et al., 2012 para mayores detalles), en los cuales se abordó la temática a partir de
experimentos en laboratorio (Federici y Paola, 2003; Islam et al., 2006; Bertoldi y Tubino,
2007; Bertoldi et al., 2009; Thomas et al., 2011), empleo de modelos numéricos (Bolla
Pittaluga et al., 2003; Miori et al., 2006; Hardy et al., 2011; Kleinhans et al., 2012;
Schuurman et al., 2013; Dutta et al., 2017) y, en menor medida, observaciones de campo
(Dargahi, 2004; Zolezzi et al., 2006; Frings y Kleinhans, 2008; Edmonds y Slingerland,
2007, 2008; Szupiany et al., 2012; Morell et al., 2014).
Cabe destacar que la mayoría de los trabajos numéricos y de laboratorio se realizaron con
geometrías simplificadas (i.e. canales rectos, simétricos, ver por ejemplo Bolla Pitaluga et
al., 2003; Edmonds y Slingerland, 2007), sobre cauces menores, caracterizados por bajas
relaciones ancho/profundidad (B/H) desde lo cual, la extrapolación a cauces naturales es
limitada. En cuanto a los trabajos de campo, las investigaciones se llevaron a cabo en su
mayoría en cauces deltaicos (Edmonds y Slingerland, 2007; Frings y Kleinhans, 2008) y con
fondo de lechos gravosos con transporte predominante de fondo (Klienhans et al., 2012).
Todos los trabajos mencionados se realizaron en bifurcaciones del cauce principal a
secundarios, dejando un gran vacío en el conocimiento de aquellos sistemas
multicanalizados con dos o más brazos como los nodos propuestos en el presente capítulo.
Los estudios antes mencionados han demostrado que la división del flujo está gobernada por
el ángulo de bifurcación, las pendientes de sus cauces, la presencia de curvas aguas arriba,
la forma de la sección transversal, y la presencia de lechos discordantes entre otros factores
menores. Sin embargo, se desconoce cómo interactúan estos factores bajo condiciones
59
naturales con geometría compleja y, en especial, en ríos multicanalizados donde la división
del flujo se produce en dos o más partes. A este ya complejo problema, se suma el efecto o
control que producen las bifurcaciones de cauces secundarios (Tipo II) sobre el principal y
qué procesos mantienen su embocadura libre de fenómenos de deposición, garantizando en
muchos casos su apertura constante.
El presente capítulo pretende avanzar en el conocimiento y comprender los procesos
hidrodinámicos y sedimentológicos presentes en bifurcaciones complejas, i.e. múltiples
divisiones del flujo (Tipo I) y, en particular, que efecto presenta la embocadura del cauce
secundario Colastiné en la morfodinámica de la unidad y división de caudales aguas arriba.
Es de destacar que tanto el río Paraná como Colastiné cuentan con un fondo arenoso
(D50~0.250 mm), bajos gradientes y con predominio de transporte de sedimentos en
suspensión, condiciones muy distintas a las investigaciones realizadas hasta el momento
(Kleinhans et al., 2012).
Para el análisis se plantea una combinación entre estudios de la morfodinámica histórica,
datos medidos in situ (relevamientos batimétricos, campo de velocidades, transporte de
sedimentos y características de sedimentos de fondo y en bancos e islas aledañas) y a través
de modelación numérica hidrodinámica bidimensional, la cual permite mayor resolución
espacial y temporal de los fenómenos bajo situaciones hidrométricas no medidas y durante
eventos hidrológicos extremos.
60
Las mediciones consistieron por un lado del relevamiento del fondo con una ecosonda de
haz simple (SBES, marca Raytheon de 200 kHz de frecuencia) en secciones transversales
200 m equidistantes aproximadamente (línea negra, Figura 4.1), con mayor detalle sobre la
zona cercana a la bifurcación 3.
Además, se realizaron aforos líquidos y medición del campo de velocidades en el brazo
principal y bifurcado (utilizando un ADCP Teledyne RDI de 1200 kHz). Se destaca que las
mediciones con ADCP se utilizaron para la cuantificación de concentraciones y transporte
del material de fondo en suspensión, utilizando la metodología propuesta por Szupiany et al.
(2017) a través del código computacional ASET (Capítulo 3). Todos los equipos fueron
acoplados a un GPS diferencial a tiempo real (DGPS-RTK) debidamente montados sobre la
embarcación hidrográfica (ver más detalles en ítem 2.3.2).
61
Instruments, 2009). Se destaca que tanto las secciones de aforo como batimétricas (línea roja
y negra Figura 4.1, respectivamente) coinciden para ambos relevamientos (C2009 y C2016)
permitiendo comparar de manera directa los resultados logrados.
Figura 4. 1.- Tramo de estudio y secciones relevadas durante los trabajos de campo (negras: con ecosonda;
rojas: con ADCP). Los círculos representan la ubicación de la toma de muestras de fondo y calicata. Imagen
del año 2016.
Se relevaron además perfiles longitudinales en cada brazo bifurcado con el fin de cuantificar
62
la pendiente del pelo de agua y las formas de fondo, para determinar la rugosidad. Los
perfiles fueron definidos siguiendo las líneas de corrientes con la embarcación
correspondientes a 1000 m3/s, 4500 m3/s y 6500 m3/s (medidos en el primer día de campaña)
desde la margen derecha.
Se recolectaron un total de 15 muestras de sedimento entre ellas 8 de fondo, 5 en suspensión
(cerca de superficie) y 3 correspondiente a los diferentes estratos identificados sobre una
calicata efectuada en el banco al frente de la bifurcación 3 (banco 2, Figura 4.1).
Las muestras fueron sometidas a diferentes tratamientos en laboratorio dependiendo de los
objetivos y sus características. Por un lado, a tres de las cinco muestras superficiales se le
efectúo el tamizado húmedo, evaporación del agua, secado a estufa y pesaje para obtener
finalmente la concentración de sedimento fino (i.e., limos y arcillas) y grueso (arenas) en el
volumen de muestreo. Las dos restantes muestras fueron sometidas al método de
difractómetro láser con el equipo HORIBA LA-910 a fin de obtener la distribución
granulométrica de este material.
En cuanto a las muestras de fondo y calicata se realizó un tamizado en seco como fue
explicado en el apartado 2.3.3.
Figura 4. 2.- Mallas generadas a través del software BlueKenue, a) con Colastiné y b) sin Colastiné.
65
El espaciamiento entre nodos (✁m) de la malla se determinó basándose en la siguiente
ecuación (Morell et al., 2014):
✟☞
✄☎ ✝ ✌ ☛ (4.1)
✁
La calibración para las dos condiciones hidrométricas, se efectuó para aquellos casos en los
que se incluye el Colastiné (C2009_CC y C2016_CC), para los dos restantes (C2009_SC y
C2016_SC) se asumieron las mismas consideraciones. El parámetro de referencia, o de
calibración, del modelo fueron los caudales medidos en campo con los equipos acústicos,
evaluándose las respuestas del modelo en cada una de las bifurcaciones en estudio, en el
cauce principal y en los secundarios. Dado que la modelación corresponde a un estado
subcrítico (Fr < 1), se impuso un caudal como condición de entrada y una altura constante
como condición de salida para todos los casos anteriormente descriptos (Figura 4.2).
En cuanto a la situación C2009_CC/SC, la condición de entrada fue el caudal medido en la
campaña C2009, imponiendo un perfil de velocidad representativo basado en la ley
logarítmica. La cota de pelo de agua en la salida del tramo modelado se determinó
extrapolando con una pendiente superficial desde la estación de aforo Puerto Paraná hasta la
región coincidente con la condición de borde (salida) del dominio propuesto (Figura 4.2).
De manera similar se obtuvo la condición de salida para el brazo correspondiente al río
Colastiné, aunque con la salvedad de la pendiente correspondiente a este último cauce, desde
la estación de aforo en RN 168.
Al modelo se lo calibró con una resistencia media del flujo, coeficiente de Nikuradse (Tassi,
2017), cercana a ks=0.01 m, logrando una convergencia en 80000 seg. Cabe aclarar que este
valor se aproxima a las alturas medias de las dunas superimpuestas, la cuales acorde a
Amsler y Schreider (1992) son las responsables de la rugosidad efectiva. Además, se destaca
que dicho valor concuerda con trabajos previos sobre el río Paraná (Morell et al., 2014).
En el caso de C2016_CC, las condiciones de borde se determinaron de manera similar que
para C2009_CC, considerando la suma de caudales medidos en estaciones RN 168 (Brazo
del Colastiné), y Puerto Paraná para el día donde se registró un pico de la crecida. Para la
condición de salida, se determinó la pendiente superficial con los datos del día
67
correspondiente, y se calculó la altura en ambas. Este caso se calibró con una resistencia al
flujo ks=0.008 m, logrando una convergencia del modelo en 80000 seg.
Se destaca además que los 4 casos fueron modelados con fondo rígido, correspondiente este
al estado de C2009 (i.e. sin transporte de sedimento de fondo ni suspendido).
El modelo de turbulencia utilizado para todos los casos, fue de cero ecuación o de viscosidad
de remolino constante, con un valor de ✂f=1x10E-5 m2/s, en un todo el dominio de acuerdo
a resultados previos de modelaciones sobre el río Paraná (Vionnet et al., 2004; Morell, 2016).
Cabe destacar que este valor se modificó en un ✌50% y no se obtuvieron cambios
apreciables en los resultados de la modelación, esto puede deberse a las dimensiones
adoptadas de la malla las cuales impiden la representación de fenómenos turbulentos si
presentes a otras escalas.
4.4 Resultados
A continuación se presentan los relevamientos de ambas campañas (C2009 y C2016),
incluyendo la morfología, estructura del flujo y el transporte de sedimentos suspendidos.
Seguidamente se describen los resultados de la modelación numérica de los 4 casos a fondo
fijo, como así también la modelación de la crecida 2016. Por último se detalla el
comportamiento morfodinámico histórico obtenido del análisis cronológico de las imágenes
satelitales.
69
S7 Figura 4.1), presentando pendientes de fondo mucho más abruptas que en su lado
izquierdo sobre el brazo central.
v) La embocadura del río Colastiné permaneció invariante con similares características, i.e.
el thalweg sobre la margen izquierda y una zona de sedimentación sobre la margen derecha
que acompaña la curvatura del flujo en dicha zona.
vi) Los procesos antes mencionados sugieren una coalescencia de los bancos 1 y 2 y el cierre
de la bifurcación 3, desplazando la embocadura del río Colastiné hacia aguas arriba, tal como
se verá más adelante en la configuración a fines de la década del '70.
Figura 4. 3.- Modelo digital de terreno a) campaña 2009 y b) campaña 2016. Las profundidades están
referidas a cotas IGN.
70
4.4.2 Características de formas de fondo
La Figura 4.4 muestra los diferentes recorridos realizados en C2016 a fin de cuantificar las
geometrías de las formas de fondo para los diferentes brazos de la bifurcación 2. Tal como
se presenta en Tabla 4.3 y en la Figura 4.5, se observa una gran variación entre los recorridos
1, 3 y 5, correspondiente cada uno a los brazos de la región de expansión.
En el brazo derecho se presentan las mayores formas de fondo con alturas de dunas cercanas
a 1.6 m y longitudes medias de 90 m. En cuanto a los recorridos 3 y 5, estos valores decrecen
con alturas medias de 0.8 m y longitudes de dunas cercana a los 45 m. Sobre el recorrido 1
es dable notar la presencia de pequeñas dunas, superimpuestas con alturas medias de 0.4 m
(con máximas de hasta 1 m), mientras que en los recorridos 3 y 5 este valor se reduce casi
en un orden de magnitud, con valores de máximos de 0.2 m. Ver la Figura 4.5 sobre registro
gráfico de la ecosonda.
Figura 4. 4.- Recorridos realizados con la embarcación hidrográfica para la caracterización de las formas de
fondo.
71
En la Figura 4.6 se presenta la localización de cada punto muestreado con los diámetros
medios (D50). Nótese que las muestras comprenden la zona de expansión (brazo derecho de
la bifurcación 1), los cauces secundarios aledaños, i.e. río Colastiné y Leyes, y diferentes
estratos superficiales del banco 1. Todas las muestras señaladas corresponden a la campaña
C2016. De las mismas, se destacan los siguientes puntos:
✭ En los cauces secundarios (Leyes y Colastiné) se presenta una disminución en la
granulometría respecto al cauce principal. Tanto la muestra de Arroyo Leyes como
de la margen derecha del Colastiné (M6 y M2, respectivamente) presentan contenido
de limos y arenas muy finas, indicando procesos de sedimentación del material
proveniente en suspensión. Es de destacar que Lopez Weibel et al. (2015)
determinaron diámetros medios de la fracción gruesa en suspensión de 0.110 mm
(D16=0.074 mm y D84=0.145 mm) sobre el cauce del Paraná y Colastiné,
evidenciando una clara diferencia con aquel presente en el fondo. Sobre el thalweg
del Colastiné (M1) el fondo está compuesto por arenas casi en su totalidad (se verá
en detalle en el siguiente capítulo), aunque con una distribución de tamaños menores
al cauce principal (comparando con M4, M7 y M9). Este comportamiento indicaría
una segregación del material transportado por el fondo del cauce al ingresar a los
cauces secundarios como el Colastiné y pérdida de capacidad de transporte para
mover las partículas más grandes. De todas formas, la cantidad de muestras
recolectadas son insuficientes para entender adecuadamente el fenómeno, cuestión a
desarrollar en estudios posteriores.
✭ En cuanto a la calicata realizada sobre el banco 1 frente a la embocadura del
Colastiné, los estratos medidos presentan diferentes distribuciones granulométricas,
indicando diferentes procesos de sedimentación en su formación (Figura 4.6). En
cada uno se observan estructuras sedimentarias ordenadas en capas planas, sin
formas de fondo, indicando un recrecimiento por decantación del material
suspendido, y no por avance de formas de fondo, como si se ha observado en otros
bancos e islas del sistema (Szupiany et al., 2012). Notar además que los estratos
inferior y central presentan contenido de limos y diámetros de arenas menores a los
del fondo del cauce con porcentajes de arenas muy finas que generalmente se
transportan en suspensión (Lopez Weibel et al., 2015). Se desprende de lo anterior
que estos depósitos se formarían por una combinación de procesos tanto del material
transportado por el fondo pero mayoritariamente con aquel que viaja en suspensión,
depositándolo en forma de láminas en zonas con baja energía del flujo, capaz de
sedimentar parte de la carga de lavado y arenas muy finas. Las condiciones del flujo
73
desarrolladas sobre el banco 1, será analizado en puntos posteriores con resultados
de la modelación numérica.
Figura 4. 6.- Diámetros representativos medios (D50) de las muestras de fondo y superficie tomadas en la
región de estudio. M: muestra de fondo; MXs: diámetro medio del material grueso presente en suspensión
cerca de superficie; S, C y I: estrato superficial, central e inferior, respectivamente.
74
la denominada bifurcación 1 entre ambos estados hidrométricos. Este comportamiento se
produce, paradójicamente, a pesar de las mayores velocidades registradas en el 2016, debido
a los efectos inerciales a la salida de la contracción en dicha ocasión, puesto que no debería
esperarse mayores aportes, en términos relativos, dado el abrupto ángulo que presenta la
bifurcación. En rigor, el flujo hacia el brazo Zapata realiza un cambio en su dirección de
aproximadamente 90°.
Aun con la presencia de éste comportamiento, que refleja una pérdida en la capacidad del
brazo derecho, el río Colastiné mantuvo el ingreso del caudal relativo, lo que siguiere un
régimen fluvial independiente de los procesos producidos en la bifurcación 1, y una gran
eficiencia en la capturar de caudal del cauce principal del Paraná. La hipótesis que se plantea
es que dada la jerarquización del brazo central en la bifurcación 2, vista en el punto 4.4.1
(i.e. aumento de profundidades), y la pérdida de capacidad de transporte general del brazo
derecho de la bifurcación 1, la embocadura del río Colastiné tuvo que modificarse re-
adaptando su morfología y trasladándose hacia aguas arriba para garantizar el suministro de
caudal líquido de acuerdo a la capacidad de conducción de este cauce. Esta hipótesis será
nuevamente analizada con los resultados de la modelación numérica en los siguientes
puntos.
Tabla 4. 4.- Caudales medios relevados con ADCP en las campañas C2009 y C2016 sobre bifurcación 1 y 2.
S1 5428 44 8047 49
S3 7009 56 8500 51
S4 - - 8560 51
S5 6580 53 8420 51
S7 3200 19
4876 39
S14 2500 15
S15 - - 2400 14
S17 1226 10 1725 11
S12 - - 1520 9
S16 5146 41 5600 34
Figura 4. 8.- Velocidades promediadas en la vertical de las secciones aforadas con ADCP durante la
campaña C2016. Bifurcaciones 1, 2 y 3. Ver Figura 4.1.
76
Sobre las secciones que comprenden las bifurcaciones 1 y 2, se destaca en general la ausencia
de estructuras coherentes del flujo. A excepción del brazo izquierdo de la bifurcación 1, el
flujo presenta una baja curvatura lo que, sumado a la elevada relación B/H y rugosidad del
fondo compuesto por dunas, tal como se presentó en la sección 4.4.2, impide la generación
de estructuras coherentes del flujo o bien, su formación podría ser impedida dado los
movimientos verticales turbulentos generados por las formas de fondo. A pesar de la gran
curvatura entre las secciones S2 y S1, no se observó ningún patrón coherente del flujo. Por
el contrario, en S2 se distingue un movimiento caótico con elevada turbulencia del flujo la
que se transfiere aguas abajo impidiendo la generación de celdas secundarias al aumentar
rápidamente la curvatura. Por otra parte, aquí se produce una elevación paulatina del fondo
(de máximas profundidades de 30 m en S2 a 12 m en S1) lo que, junto a la rugosidad del
fondo, contribuiría a debilitar la estructura secundaria formada por la curvatura del flujo.
Es de destacar además en Figura 4.9 que la forma de la sección S7 parece estar definida
geométricamente como un canal rectangular con un flujo uniforme y pendientes abruptas en
ambas márgenes, sugiriendo un control en el avance/recrecimiento del banco 1 y 2. Un
comportamiento opuesto se distingue del otro lado del banco 2, sobre sección S14, donde la
pendiente pronunciada del fondo impidió la navegación cerca de la margen.
4.4.4.2 Bifurcación 3
En Figura 4.10 se presenta el comportamiento de las velocidades medias en la vertical para
la bifurcación 3. Se observa dos zonas características de bajas velocidades, la primera sobre
la punta de la bifurcación, generado por un choque frontal del flujo, produciendo una zona
de bajas velocidades pero alta turbulencia tal lo observado in situ. Este comportamiento
sugiere una falta de equilibrio en la bifurcación, con un patrón del flujo poco común sobre
este sistema con cambios abruptos y alta turbulencia. La segunda zona se produce sobre la
margen derecha del Colastiné producto de la curvatura del flujo al ingreso, produciendo una
morfología transversal del fondo típica de una curva, con deposición del material fino sobre
este banco tal como se vio en la sección 4.4.3. Asociado a este comportamiento, se ve una
clara celda de circulación secundaria solo en la sección S17 (ver Figura 4.11). Esta celda
comienza a formarse, con menor intensidad y ancho, sobre las secciones S10 y S11,
coincidente al comienzo de la curvatura.
77
Figura 4. 9.- Velocidades primarias y secundarias obtenidas por el método de Rozovskii en secciones
relevadas en C2016, bifurcación 1 y 2.
78
Figura 4.9.- continuación.
79
Un comportamiento similar ocurre sobre el brazo izquierdo de la bifurcación (S12), pero
con un cambio de curvatura más brusco, lo que genera una celda secundaria de mayores
intensidades y que abarca todo el ancho de la sección (Figura 4.11). Este comportamiento
ha favorecido además al recrecimiento del banco hacia aguas abajo cerrando paulatinamente,
en ancho, la sección S12. Esta sección absorbe el excedente de caudales entre lo que ingresa
aguas arriba, sección S7, y la capacidad de conducción del río Colastiné. Esta observación
sugiere que el cierre de la sección S12 irá acompañado de una disminución en la entrada de
caudales aguas arriba, sobre el brazo derecho de la bifurcación 2, generando un equilibrio
nuevamente del sistema con configuración similar a la presentada a principios de la década
del '70 (tal como se desarrolla en detalle en el punto 4.4.8).
Figura 4. 10.- Velocidades promediadas en la vertical de las secciones aforadas con ADCP durante la
campaña C2016. Bifurcación 3.
80
de máximas velocidades en todas las secciones. Es decir, se observan los núcleos de
máximas concentraciones en coincidencia con los de máxima velocidad. Solo en la S2 se
presenta un desfasaje entre los núcleos de máxima velocidad (ubicada sobre la margen
izquierda) y los de máximo sedimento suspendido (sobre la margen derecha), producto de
procesos no descriptos aguas arriba. Este hecho tiene una fuerte implicancia hacia aguas
abajo, donde el mayor volumen de sedimento es transportado sobre margen derecha
ingresando en elevada proporción sobre el brazo derecho de la bifurcación 2 (ver Tabla 4.5).
Es de notar la diferencia entre caudales sólidos y líquidos (Tabla 4.4). Este comportamiento
podría explicar parte de los procesos de sedimentación y recrecimiento observados en los
bancos 1 y 2, en contraposición al recrecimiento de los bancos/islas ubicados entre los brazos
izquierdo y el central. En los depósitos del banco 1 se ha detectado la presencia de arenas
finas (sección 5.4.3), tamaños típicamente transportados en suspensión (Latosinski et al.,
2014; Lopez Weibel et al., 2015).
Si bien las diferencias entre Gss estimados en las diferentes secciones se encuentra dentro
de la incertidumbre propia de la metodología empleada (ver Tabla 3.2, Capítulo 3), se
observa una tendencia al aumento en el transporte entre las secciones S3, S4 y S5, en
consonancia a lo observado en zonas de expansión por Szupiany (2008) asociado a la
variación y aumento del empinamiento de las formas de fondo sobre la expansión, lo que
generaría mayores procesos de turbulencia y resuspensión del sedimento en estas zonas,
cuestión que debe analizarse en mayor detalle en futuras investigaciones.
En cuanto a la bifurcación 1, se destacan valores similares de transporte de sedimento
suspendido en secciones S1 y S3, con diferencias del 5% entre estas. La Figura 4.12 sugiere
que la aceleración del flujo y la elevación del fondo entre las secciones S2 y S1 (Figura 4.9)
produciría procesos de resuspensión en esta zona más que una división de Gss explicada por
la división de Q en la bifurcación 1 la cual, como se explicó en el párrafo precedente, la
división de Gss está gobernada por la posición de los centros de máximas concentraciones
al salir de S2 (sobre margen derecha). La ausencia de estructuras coherentes en estas
secciones sugieren que no existen procesos de redistribución de sedimentos en esta
bifurcación, tal como fue observado por Parsons et al. (2007) y Dutta et al. (2017).
En las secciones S14 y S15 se aprecia un menor transporte de sedimento suspendido,
predominando el transporte por fondo sin procesos de sedimentación importantes. Esto se
manifiesta sobre el brazo izquierdo, en donde no hubo cambios significativos entre los
relevamientos realizados (C2009 y C2016).
81
Figura 4. 11.-Velocidades primarias y secundarias obtenidas por el método de Rozovskii en secciones
relevadas en C2016, bifurcación 3.
82
Figura 4.11.- continuación.
83
Tabla 4. 5.- Caudal sólido del material de fondo transportado en suspensión sobre las secciones relevadas
con ADCP y calculadas por ASET. Campaña 2016.
4.4.5.2 Bifurcación 3
De la Tabla 4.5 y la Figura 4.13 se desprende que hay una continuidad de las concentraciones
del material suspendido entre las secciones S8, S9, S10, S11 y S17, disminuyendo hacia
aguas abajo de la entrada al río Colastiné en sintonía con la disminución de caudales líquidos
y la división producida en la S12. Dado el comportamiento homogéneo en la distribución
transversal del campo de concentraciones sobre esta última bifurcación hay una
correspondencia entre la división de caudales y sedimentos suspendidos, puesto que
mientras la relación de caudales líquidos Qder/Qiz es de 1.2 (QS11/QS12), la relación de
transporte Gssder/Gssiz es de 1.3. Se destaca además la disminución en el transporte hacia
aguas abajo entre la secciones sobre el río Colastiné (i.e. S10, S11 y S17), lo que puede ser
atribuido a los procesos de sedimentación y formación de banco sobre la margen derecha.
Este comportamiento, sumado a la gradual entrada del flujo, la elevación paulatina del fondo
(sin escalón de fondo abrupto y a la ausencia de corrientes secundarias helicoidales sobre la
embocadura), sugiere que el proceso de transferencia de caudal sólido presentado por Bulle
(1926), y evaluado recientemente por Dutta et al. (2017), no tendría efecto en dicha
bifurcación.
84
con los resultados de la modelación C2009_CC.
Figura 4. 12.- Campo de concentraciones del material de fondo en suspensión estimadas con ASET para
condición C2016. Bifurcaciones 1 y 2.
85
Figura 4.12.- continuación.
86
Figura 4. 13.- Campo de concentraciones del material de fondo en suspensión estimadas con ASET para la
condición C2016. Bifurcación 3.
87
Figura 4.13.- continuación.
88
Se incluyeron los valores de caudales obtenidos bajo la condición hipotética de la ausencia
del río Colastiné para ambas condiciones hidrométricas C2009/2016_SC. De los resultados
de la modelación se destacan los siguientes puntos:
a) Para la condición C2009, se obtuvo una aceptable representación de la distribución de
caudales modelados al compararlos con los medidos. Para todas las secciones la
discrepancia en la repartición de caudales fue inferior al 2%, en el orden de precisión de
la modelación y de las mediciones con ADCP (5%).
b) Al comparar ambas condiciones hidrométricas (C2009_CC y C2016_CC), en las
bifurcaciones 1 y 2, se observa el incremento de los efectos convectivos para estados de
aguas altas, disminuyendo el caudal en S1 y produciendo una distribución de caudales
homogénea entre S14, S15 y S7 para la condición de crecida. Esto se explica dada su
configuración en planta, en donde el brazo Zapata presenta un ángulo de 90º
perpendicular al brazo derecho. Este hecho, y al observar las condición relevada en C2016
(Tabla 4.6), ratifica que en el período 2009-2016 el brazo derecho ha perdido capacidad
de conducción, ya que en C2016 el brazo derecho presentó un menor porcentaje del
caudal total a pesar de un mayor nivel hidrométrico presentado al momento de las
mediciones (ver Tabla 4.6).
c) La presencia o no del Colastiné, modifica no solo la distribución de caudales
inmediatamente aguas arriba (bifurcación 2), sino también en la bifurcación 1. Esto
✕✛✜✄✛✣✘✒✏ ✗✏ ✓✏✂✏✓✙✕✏✕ ✕✛ ✛✣✘✛ ✓✏✄✓✛ ✣✛✓✄✔✕✏✒✙✖ ✛✔ ✏✑✣✖✒✑✛✒✂ ✓✏✄✕✏✗ ✕✛✗ ✓✏✄✓✛ ✂✒✙✔✓✙✂✏✗
de acuerdo a su capacidad, condición que se ha ido trasladando hacia aguas arriba de
acuerdo a los cambios morfológicos, i.e. recrecimiento y unión de los bancos 1 y 2.
Bifurcación 1 2 3
Secciones S1 S4 S7 S14 S15 S10
C2009
45% 55% 40% SD* 10%
(medido)
C2009_CC 47% 53% 24% 17% 12% 11%
89
La Figura 4.14 muestra el campo de velocidades para todas las condiciones modeladas. Para
la condición de bajante (C2009), es de destacar una capa de corte y disminución de
velocidades en la zona de formación del banco frente a la embocadura del Colastiné (ver
detalle en Figura 4.15). Este comportamiento sugiere una zona de deposición, lo que
explicaría la actual formación y recrecimiento vertical del banco en esta zona. El campo de
velocidades sobre el brazo derecho impide que este banco avance hacia la embocadura del
Colastiné (ver pendiente a ambos lados del banco en la Figura 4.3, y la variación del fondo
en la Figura 4.9, secciones S7 y S14).
Cabe destacar que la confluencia de flujo aguas abajo del banco 2 se produce con un ángulo
menor (ver dirección de vectores de velocidad) para la condición de la crecida modelada,
tanto en el paralelismo de los vectores como en la intensidad de las velocidades. Por lo tanto,
y dada las distribuciones granulométricas de los diferentes estratos registrados en el banco 1
(ver sección 4.4.3), durante la condición de aguas bajas y medias se produciría la mayor
sedimentación en el banco.
Figura 4. 14.- Resultados hidrodinámicos 2D de TELEMAC 2D para los 4 casos de estudio. a) C2009_CC
(12223m3/s), b) C2009_SC (12223m3/s), c) C2016_CC (36025m3/s) y d) C2016_SC (36025m3/s). Notar
escalas de colores similares para una misma condición hidrométrica.
90
Figura 4.14.- continuación.
91
4.4.6.2 Modelación numérica de la hidrodinámica de la crecida del año 2016
El hidrograma modelado por TELEMAC 2D (ver Figura 4.17), corresponde al período del
2/11/2015 al 31/08/2016, un total de 303 días (26179200 seg.). La motivación de la elección
de este período se basa en la captura integra de la crecida del año 2016, ya que según registros
de imágenes satelitales, la emergencia del banco 2 se produjo durante la rama descendente
de la crecida. El período de estudio incluye un ciclo completo desde y hasta un estado medio
del cauce. Se distinguen dos picos en dicho período, el primero en el día 6/01/2016 (día 65)
con un caudal de 36025 m3/s, y el segundo en el día 12/04/2016 (día 164) con 32628 m 3/s.
Luego del segundo pico un descenso abrupto de casi 10000 m 3/s que finaliza en 5/06/2016.
Posterior a este un estado cuasi-uniforme durante unos 45 días de 21452 m3/s y por último
con la misma pendiente del descenso previo finaliza el período de estudio el 31/08/2016
(Figura 4.17).
Figura 4. 17.- Hidrograma modelado correspondiente al caudal que ingresa al dominio modelado para el
período 2/11/2015 al 31/08/2016.
Cabe aclarar que las pendientes utilizadas para todo el período fueron obtenidas de las alturas
hidrométricas diarias en escala Hernandarias y Puerto Paraná, por lo que se representó
adecuadamente la onda de crecida.
Debido a los objetivos buscados en el presente capítulo solo se presentarán los resultados de
la velocidad de corte ✥✆ , obtenidos en la región cercana a la bifurcación 3. De estos resultados
se escogieron 3 puntos (P1, P2 y P3, Figura 4.18) ubicados sobre el banco 2 (ver Figura
4.18).
En la Figura 4.18 se presenta el campo de ✥✆ , correspondiente al tiempo inicial t = 0, la
variación de ✥✆ para todo el período de tiempo en los puntos P1, P2 y P3, junto al hidrograma
94
modelado. Dicha figura muestra un incremento de tensiones desde el punto P1 hacia aguas
abajo (P2 y P3) pero con diferencias a lo largo de la crecida. Para el caso de P1, los valores
de ✥✆ presentan similar comportamiento que la variación de caudales, i.e. mismos valores
entre la condición inicia y final de la crecida. Por el contrario, sobre P2 y en especial P3, se
ve como las tensiones disminuyen marcadamente en la rama descendente de la crecida e
inferiores a la condición inicial, favoreciendo fenómenos de sedimentación sobre esta zona.
Figura 4. 18.- Velocidades de corte en bifurcación 3 (región de banco 2), para la condición inicial de
modelación (t=0).
Las Figuras 4.19 y 4.20 muestran una similar condición para la condición del pico (máximo)
correspondiente al día 6/01/2016 y para la condición final, respectivamente.
Además, y tal lo mencionado en secciones anteriores, se genera una zona de bajas tensiones,
adyacentes al actual banco 2 sobre el cauce central, mientras que sobre el brazo derecho se
produce un campo uniforme y de mayores tensiones, impidiendo la sedimentación y avance
del banco 2 hacia este lado.
95
Figura 4. 19.- Velocidades de corte en bifurcación 3 (región de banco 2), para la condición de caudal
máximo registrado en el período de análisis (t=65 días).
Figura 4. 20.- Velocidades de corte en bifurcación 3 (región de banco 2), para la condición de final del
período de análisis (t=303 días).
96
4.4.7 Evolución morfológica de la zona de estudio
La Figura 4.21 presenta los cambios morfológicos más destacados sobre la margen derecha
de la expansión, como en el brazo Zapata a lo largo de los últimos 38 años (1978-2016). Las
imágenes utilizadas fueron LANDSAT 7 y 8 trabajando la banda correspondiente a la mejor
representación del agua. Se distinguen de esta figura: i) la erosión de la margen izquierda
del Colastiné y consecuente erosión y traslado de la embocadura del río Colastiné hacia
aguas abajo, ii) significativas tasas de erosión de la margen derecha del Paraná, y iii) el
ensanchamiento del brazo Zapata.
En el período analizado se ha producido una erosión total de 2.5 km sobre la margen que
dividía el Colastiné con el Paraná en el año 1978, modificando la ubicación de su
embocadura. Se distinguen dos sub-períodos: el primero, a partir del año 1978 a 1992 con
una elevada tasa media de remoción de 150 m/año y el segundo periodo de 1992 a 2016 de
37 m/año. Cabe destacar que en el primer período se encuentra la mayor crecida registrada
en el siglo XX sobre el cauce Paraná, correspondiente al 1983. Se destaca que sobre esta
97
misma zona erosionada se ubican actualmente los bancos 1 y 2. La elevada expansión de la
margen derecha muy posiblemente disminuyó la capacidad de transporte (aumento de la
pendiente) del flujo que se recostaba sobre dicha margen y produciendo una activación del
brazo central y Zapata. Por lo tanto, y dada que la capacidad invariante de captura del
Colastiné, éste tiende actualmente a desplazar su embocadura hacia aguas arriba a fin de
mantener el caudal correspondiente. Esta dinámica morfológica indicaría que la embocadura
del río Colastiné se está retransformando a una condición observada hace 4 décadas,
reacondicionando su ubicación de acuerdo a los procesos a nivel del tramo general, y
manteniendo la entrada de caudales aguas arriba de la actual embocadura.
En cuanto al ensanchamiento del brazo Zapata no se distinguen dos períodos de mayor y
menor erosión como los antes mencionados en la región de la bifurcación 3. Se observa un
paulatino ensanchamiento, principalmente sobre el tramo inicial a medio de este brazo.
Si se toma la sección S1 como parámetro, esta permite apreciar un ensanchamiento de casi
un 30% pasando desde 820 m a 1200 m en el período de estudio. Claro está que este
recrecimiento es provocado por la margen derecha de dicho cauce correspondiendo a la
margen friable de la isla 1.
4.5 Conclusiones
En el presente capítulo se combinaron los resultados de la hidrodinámica y la sedimentología
presentes en una serie de bifurcaciones sucesivas de un gran río de llanura de cauces
múltiples. La zona de estudio se ubica en el tramo medio del río Paraná, y se caracteriza por
contar con bifurcaciones de diferentes jerarquías, producto de la presencia de bancos e islas
de diferentes antigüedades y tamaños, como así también, por la existencia de un cauce
secundario, el río Colastiné, que tiene características meandriforme. Para lograr los
resultados mostrados se combinaron registros de campo obtenidos con un ADCP, muestras
sedimentológicas, modelación numérica bidimensionales de diferentes estados
hidrométricos, condiciones geométricas y un ciclo de crecida completo (2016). Esta
aproximación permitió comprender la interacción compleja existente entre la hidráulica, el
transporte de sedimentos y la morfología del área seleccionada.
La morfología del tramo estudiada presenta un thalweg definido sobre la margen derecha,
manteniéndose hasta aguas abajo de la bifurcación 3. Esto imprime en el fondo una
morfología definida en la cual los demás brazo de la expansión (central e izquierdo)
presentan secciones casi planas de baja profundidad, no mayor a los 5 m. Dicha zona de
expansión se encuentra conformada por formas de fondo mucho menores que las del brazo
derecho (50%), y con dunas superimpuestas de menor tamaño. Estas presentan correlación
98
en el orden de las observadas en la región del brazo central e izquierdo (0.02 m y 0.05 m) y
las ajustadas en el modelo numérico como resistencia del flujo, corroborando los resultados
presentados por Amsler y Schreider (1992) sobre su influencia en la resistencia del flujo.
En cuanto a la estructura de flujo y sedimento suspendido se observa en todas las secciones
correlación entre los núcleos de máxima velocidad y concentración, excepto en la sección
S2 donde las máximas velocidades se recuestan sobre la margen izquierda, mientras que las
máximas concentraciones se ubican sobre margen derecha. Esta distribución particular, la
cual depende de fenómenos producidos aguas arribas, impacta en la división de caudales
sólidos en las bifurcaciones aguas abajo (2 y 3), que no se corresponde con las divisiones de
caudales.
Por otra parte, los cambios graduales en planta y fondo, no genera estructuras helicoidales
sobre las bifurcaciones, por lo que el efecto de Bulle (Dutta et al., 2017) sería despreciable
en estos ambientes fluviales en la división del sedimentos sobre bifurcaciones. Mayores
estudios se deben llevar a cabo al respecto.
La modelación numérica de los 4 casos, muestra diferentes procesos e interacción entre los
cauces bifurcados y consecuente formación de bancos. En primer lugar, los efectos
convectivos en la partición del flujo en bifurcaciones 1 y 2, generan diferentes patrones para
aguas bajas y altas. En las bifurcaciones 1 y 2 se observa el incremento de los efectos
convectivos para estados de aguas altas, disminuyendo el caudal en S1 y produciendo una
distribución de caudales homogénea entre S14-S15 y S7. Esto se explica dada su
configuración en planta, en donde la bifurcación del brazo derecho e izquierdo presenta un
ángulo de 0 y 90 grados, respectivamente. Sin embargo, para las condiciones relevadas
(aguas medias en año 2009 y aguas altas 2016) se produce un comportamiento opuesto,
mostrando un aumento de jerarquía del brazo Zapata.
En segundo lugar, la presencia o no del Colastiné, modifica no solo la distribución de
caudales inmediatamente aguas arriba (bifurcación 2), sino también en la bifurcación 1. Esto
✕✛✜ ✄✛✣✘✒✏ ✗✏ ✘✛✔✕✛✔✓✙✏ ✕✛ ✛✣✘✛ ✓✏ ✄✓✛ ✣✛✓ ✄✔✕✏✒✙✖ ✏ ✏✑✣✖✒✑✛✒ ✂ caudal del cauce principal
acorde a su capacidad. Este hecho impide además la formación y/o avance de bancos sobre
este brazo garantizando el mantenimiento del ancho de su embocadura, en un proceso que
✂✖✕✒☎✏ ✕✛✔✖✜✙✔✏✒✣✛ ✕✛ ✏ ✄✘✖✕✒✏ ✄✏✕✖✂✝ ✔ ✘✛✒✓✛✒ ✛ ✛✓✘✖ que vincula la presencia del
Colastiné y la condición hidrométrica de aguas bajas la produce la intersección de los flujos
provenientes del brazo derecho y central, como se observa en la Figura 4.15. Este fenómeno
sería el encargado de acumular el sedimento suspendido sobre el banco 2.
Sumado a esta conclusión, los resultados de la crecida permitieron evaluar la variación de la
hidráulica a lo largo de todo el ciclo de crecida 2016, y ver qué influencia tiene esta sobre la
99
morfología. Si bien la variable que se extrajo fue la velocidad de corte, dicho parámetro es
lo que vincula la hidráulica y transporte de sedimento para el modelo TELEMAC-
MASCARET. Los resultados arrojados indican la estrecha relación entre las velocidades de
corte y el hidrograma incorporado al modelo (similar forma), aunque la ubicación del punto
en estudio influye sobre cómo se dispone este diagrama (i.e. de manera ascendente, constante
o descendente).
Se desprende de esto que si bien P3 inicia el ciclo de crecida con la mayor velocidad de
corte, al final de este sufre una reducción mayor que los otros puntos pasando de 0.06 m/s
(en t=0) a 0.038 m/s (t=303 días). Esta reducción de la velocidad podría potenciar la acción
de sedimentación del material suspendido principalmente de las arenas finas, tal como ha
sido presentado en el ítem 4.4.3.
100
CAPÍTULO 5: Morfología, Estructura de Flujo y Transporte de
Sedimento Suspendido sobre el río Colastiné
5.1 Introducción
La configuración en planta de cauces meandriforme aparece como una de las más comunes
en sistemas aluviales. Dicha configuración presenta una elevada dinámica morfológica
producto de complejas interacciones del flujo y transporte de sedimento (Howard, 1992; Sun
et al., 1996), impactando en la ecología del sistema (Ward et al., 2002), el medio ambiente
y en el desarrollo socio-económico de los asentamientos poblacionales cercanos. Tal es el
caso del río Colastiné, en donde se localizan en su entorno importantes urbes como las
ciudades de Rincón y Santa Fe. En su recorrido, él mismo atraviesa obras tales como toma
de aguas, defensas costeras, puentes y rutas nacionales, desagüe cloacal, entre otros
asentamientos menores y clubes náuticos, con una importante actividad turística. Se
desprende que el entendimiento de la dinámica de estos tipos de cauces es fundamental para
una correcta planificación territorial.
Las típicas curvas que se desarrollan en estos cauces meandriformes, genera una particular
configuración del flujo, donde se desarrolla una celda helicoidal central de circulación
secundaria, la transferencia de cantidad de movimiento en la transversal, y por ende la
generación de un zigzagueo permanente de los centros de máximas velocidades. El
movimiento helicoidal, es producido por el desequilibrio local de la fuerza centrífuga y el
gradiente de presión transversal (Rozovskii, 1957; Ikeda et al., 1981; Parker, 1986; Dietrich,
1987; Abad y Garcia, 2009; Nanson, 2009; Morell, 2016) que, sumado a los efectos de la
rugosidad del fondo y el perfil en la vertical de velocidades, producen un flujo hacia la
margen cóncava o externa sobre la superficie y otro hacia la margen convexa o interna cerca
del fondo. Además de esta clásica celda de circulación transversal, una más pequeña, de
menor intensidad y sentido de rotación opuesta, se desarrolla sobre la margen exterior
(Blanckaert y Graf, 2001, 2004; Termini y Piraino, 2007) la que resulta importante para la
protección de los procesos erosivos y dinámica en planta de las curvas (Blanckaert y de
Vriend, 2004; Kayshape et al., 2012, entre otros).
Dado que en curvas de ríos meandriformes la curvatura en la dirección del flujo varía
continuamente, se producen aceleraciones convectivas y por lo tanto la componente
transversal (y su efecto en la redistribución de velocidades, tensiones de corte y morfología
antes mencionado) varía de sección a sección a lo largo de la curva. De acuerdo con Yalin
(1992), la componente transversal de velocidades puede descomponerse en dos partes: a)
101
una componente secundaria (parte de flujo helicoidal) debida a la curvatura del flujo y, b)
una componente convectiva debido al cambio de curvatura del cauce. Mientras que el
promedio de la componente del flujo secundario es cero en la vertical, la componente
convectiva no, produciendo un flujo neto de masa en la dirección radial hacia la margen
externa (cerca de la superficie).
Yalin y da Silva (2001) y Termini y Piraino (2011) demuestran que la circulación secundaria
no pueden ser analizadas independientemente de la relación ancho/profundidad (B/H). En
este sentido, Hooke (1975) destaca que, sobre canales de laboratorio de baja sinuosidad y
con relaciones B/H menores a 20, la intensidad del flujo secundario (movimiento helicoidal)
se incrementa con la disminución de B/H. Por otro lado y sobre cauces naturales, Tarrab et
al. (2007, 2009) corrobora la influencia de B/H para dos cauces dentro del sistema Paraná
validando lo referido por Yalin (1992).
Whiting y Dietrich (1993) y Termini (2009), a través de ensayos de laboratorio (5 <B/H<
18), determinaron que el efecto de las aceleraciones convectivas es particularmente más
elevado en cauces anchos. Este comportamiento, tal lo hallado por Hooke (1975), provoca
un desplazamiento de la celda helicoidal hacia la margen externa como así también de los
centros de máximas velocidades. Notar que, distintos autores (Nezu y Rodi, 1985; Yalin,
1992; da Silva et al., 2006; Termini y Piraino, 2011; entre otros) consideran como cauce
ancho✂ ( elevadas✂ relaciones B/H) a aquellos con relaciones B/H mayores a 10.
En cuanto a la topografía y dinámica de ríos meandriformes con elevadas relaciones B/H,
Dietrich (1987) advierte sobre la necesidad de determinar los efectos, sobre el flujo y
transporte de sedimento, de la gran área (y plana) que abarcan los bancos internos en estos
tipos de cauces.
Tal lo expresado anteriormente, se advierte una importante cantidad de trabajos que analizan
la dinámica de las variables hidrosedimentológicas y morfológicas en curvas. Sin embargo,
la mayoría de ellos corresponden a modelaciones numéricas (Duan, 2001; Kayshape et al.,
2012; Wang et al., 2014) o canales de laboratorios con geometrías simples (secciones
rectangulares y fondo no deformables) (Hooke, 1975; Withing y Dietrich, 1993; Blanckaert
y de Vriend, 2004; da Silva et al., 2006; Termini, 2007) con esquemas asimétricos como la
curva de Kinoshita (Abad y Garcia, 2009), y en menor medida, en cauces naturales (Hickin,
1978; Bathurst et al., 1979; Dietrich y Smith, 1983; Nanson, 2009; Morell et al., 2014; Frías
et al., 2015). La gran mayoría de estos con relaciones ancho/profundidad (B/H) menores a
20 (Termini y Piraino, 2011). Además, justamente debido a la complejidad numérica y de
laboratorio, y más aún en grandes cauces naturales, el comportamiento del transporte de
sedimentos y su vínculo con la estructura de flujo en este tipo de cauces presenta un limitado
102
conocimiento.
El presente capítulo pretende contribuir al entendimiento de la interacción de la estructura
de flujo, morfología y transporte de sedimento suspendido a lo largo del río Colastiné, el
cual se caracteriza por poseer una elevada relación (B/H>50), condición poco estudiada en
trabajos previos. Notar que los conocimientos logrados por el grupo de investigación en
cuanto a la cuantificación del flujo y sedimento con tecnología acústica y la herramienta
computacional generada en la presente tesis (Capítulo 3), permiten la cuantificación de las
variables hidrosedimentológicas, generando una base de datos precisos y con resoluciones
temporales de características únicas. Se pretende además a lo largo del capítulo discutir los
distintos tipos y métodos de descomposición de velocidades (i.e. primarias y secundarias).
Por último se describirá la morfología presente en este tipo de sistemas y cuál es su influencia
(efecto/consecuencia) en la estructura de flujo y la importancia de la rugosidad de la margen
con presencia de vegetación sobre la estructura de flujo.
Figura 5. 1.- Definición esquemática del flujo en curvas sobre canales abiertos, pf es la presión del flujo; r
y ✁ s son las tensiones en la dirección r y s respectivamente; 0 r es tensión transversal en el fondo del
cauce; ✁ r , ✁ s y ✁ z son los pequeños incrementos. (Fuente: Zhou et al., 1993).
La velocidad radial ur1 y ur2 del flujo tipo presenta direcciones opuestas en el plano radial
r (los subíndices 1 y 2 refieren cerca de superficie y fondo, respectivamente) y por lo tanto
✂1 y ✂2 (siendo ✄ el ángulo de desviación del vector velocidad con el plano longitudinal)
forman direcciones opuesta (Figura 5.2). En contraste, en el flujo tipo ✁ las velocidades
radiales presentan la misma dirección en el plano r y por lo tanto los ángulos ✂1 y ✂2 son
similares. Se desprende que la velocidad promedio radial en la vertical de un flujo tipo ☎ es
cero mientras que la de uno tipo ✁ no. Yalin (1992) destaca que el flujo tipo ✁ puede
encontrarse asociado a la aceleración convectiva y que ambos flujos se pueden combinar en
un cauce. La complejidad de esta comportamiento ha llevado a recientes discusiones sobre
la manera correcta de métodos de descomposición para la cuantificación de ambos (Lane et
al., 2000; Morell, 2016).
104
Figura 5. 2.- Diagrama de tipos flujos en curvas propuesto por Yalin (1992). Fuente: Yalin (1992).
✣✛✓ ✄✔✕✏✒✙✏✣✂✝ ✁ ✙✛✔✘✒✏✣ ✔✄✛ ✗✏✣ ✂✒✙✜✛✒✏✣ ✣✛ ✄✛✔✛✒✏✔ ✂✏✒✏ ✓✄✏✗✔✄✙✛✒ ✂✗✏✔✖ ✘✒✏✔✣☎✛ rsal al flujo
en cualquier plano seleccionado, las segundas se deben a los procesos antes descriptos (flujo
tipo ✄ y ✁ ).
En cuanto a los métodos de descomposición, se pueden mencionar:
- Método de línea central (LC). Éste define una línea central del cauce en estudio e indica el
plano secundario como cualquier plano perpendicular a dicha línea (Bhowmik, 1982).
Generalmente es utilizado para estudios numéricos y canales de laboratorio con geometrías
de márgenes bien definidas y paralelas.
- Método de Rozovskii (1957) (Roz). Éste define planos secundarios en cada vertical, de tal
manera de producir un caudal transversal neto igual a cero. Implícitamente, la dirección
105
primaria en cada vertical está dada por el promedio de la dirección de los vectores de
velocidad en la vertical (Rhoads y Kenworthy, 1995). Si bien este método carece de una base
teórica (plantea balance para cada vertical y no en la sección transversal), por lo tanto es
✜✄✂ ✘✙✗ ✂✏✒✏ ✗✏ ✙✕✛✔✘✙ ✙✓✏✓✙✚✔ ✕✛✗ ✜✖☎✙✜✙✛✔✘✖ ✆✛✗✙✓✖✙✕✏✗✄ ✗✄✁✖ ✘✙✂✖ ✂✝
- Método de cero caudal transversal (CQ). Define un plano secundario en toda la sección
transversal de tal manera que genera un caudal transversal nulo (Paice, 1990; Markham y
Thorne, 1992a, b). Este método ha sido uno de los más recomendados en curvas (Lane et al.,
2000), aunque ha reflejado arrojar valores y comportamiento erróneos en cauces con elevada
relación B/H y/o sobre secciones en confluencias y bifurcaciones, en donde la generación de
✗✄✁✖ ✘✒✏✔✣☎✛✒✣✏✗ ✂✄✛✕✛ ✛✣✓✖✔✕✛✒✂ ✓✄✏✗✔✄✙✛✒ ✓✖✜✂✖✒✘✏✜✙✛✔✘✖ ✓✖✆✛✒✛✔✘✛ ✕✛✗ ✗✄✁✖ ✠☎✄✂✙✏✔ ✂✄
2008).
- Método de continuidad de caudales. Sobre la base de continuidad de caudales, el campo de
velocidades secundarias es determinando orientando cada sección de tal manera que el
caudal secundario entre secciones transversales adyacentes sea cero. Este método resulta
poco práctico en especial, para grandes cauces naturales, ya que requiere de una importante
cantidad de información con alta resolución espacial.
Se destaca que el uso de estos métodos implica diferentes escalas espaciales, mientras que
Rozovskii (1957) analiza vertical por vertical, los demás definen un plano para toda la
sección transversal. Esto ha sido evaluado por Morell (2016) mediante un análisis teórico y
un modelo de flujo potencial (Engelund, 1974) motorizado por una capa de vórtices a partir
de una aproximación conocida en teoría de lubricación (Vionnet, 1995). Dicha autora, entre
otras cosas, permitió determinar que la magnitud extraída por el método de Rozovskii puede
enmascarar valores erróneos propios del método en curvas, aunque éste sea eficiente en la
captura de la celda secundaria.
El flujo helicoidal es caracterizado por: i) la variación sistemática de la orientación de los
vectores de velocidad en profundidad, con máximas desviaciones en los ángulos cerca del
fondo y en las cercanías de la superficie del agua; y ii) la repetición de este patrón en más
de una vertical (Yen, 1965; Jackson, 1975; Hooke, 1975; Hickin, 1978; Thorne y Furbish,
1995). Como Rozovskii se basa justamente en la identificación de estas dos características,
éste método revela las velocidades secundarias inducidas por la divergencia entre los
vectores cerca del fondo y superficie, indicando si este comportamiento varía en la
profundidad y si se presenta en más de una vertical adyacente (Szupiany, 2008). Por todo
esto Rozovskii (1957) es el más adecuado para la identificación de celdas de circulación
secundarias (flujo helicoidal) en ríos con elevadas relaciones B/H, de tal manera que la
componente transversal convectiva no afecte la identificación a las mismas. En secciones
106
siguientes se continuará la discusión con los resultados de la aplicación del método de línea
central, Rozovskii y cero caudal transversal, de acuerdo a los objetivos y descripción del
flujo buscados aquí.
107
procesos aquí presentados fueron de gran jerarquía. El primero de ellos se dio sobre la
embocadura del Colastiné, la cual se desplazó unos 1200 m aguas abajo en el año 1940. A
este proceso se le asocia la ocurrencia de 8 eventos de crecida en el sistema entre la década
del '30 hasta principios del '40 (Ramonell y Amsler, 2005), acelerando y produciendo
importantes cambios morfológicos en esta zona. El segundo evento morfodinámico se
produjo por un corte en el tramo medio de Colastiné, generando el abandono de un tramo de
casi 12 km en la década de los '60.
Figura 5. 3.- Evolución temporal del río Colastiné desde 1940 a 2016. Actual condición de línea central en
color azul e histórico en color rojo. Modificado de Ramonell y Amsler (2005).
La Figura 5.4 muestra los cambios más importantes de la línea central en los últimos 40 años
con un detalle de los tipos de desplazamientos que tuvo la línea central del cauce
(Dominguez Ruben et al., 2015b). Todo el tramo fue dividido en tres subtramos, a través de
las denominadas líneas de valle (Gutierrez y Abad, 2014): A-B (curvas C1 a C4), B-C (C5
a C7) y C-D (C8 a C9). De acuerdo a la Tabla 5.1, un incremento en el ángulo de deflexión
(✂0, ángulo interno que forma la línea de valle y la línea central, Yalin, 1992) se produce
desde la embocadura al final del subtramo, el cual es acompañado por un decrecimiento
aguas abajo de la tasa de migración y un incremento en la tasa de expansión. El
comportamiento estaría dominada por una migración hacia aguas abajo cuando ✂0<30, con
desplazamientos combinados (i.e. aguas abajo y expansión) cuando 30<✂0<40, y
expansiones para ✂0>40. La Tabla 5.1 muestra además que la máxima variación angular (i.e.
✁✂0/✁t) están dadas por curvas de sinuosidad entre 1.4-1.7 en concordancia con lo observado
por Kondratiev et al. (1982) y Yalin (1992). Esta variación angular decrece cuando la
sinuosidad se encuentra entre 1.4>✝>1.7. Nótese además que en el subtramo A-B, en curva
C2 se presenta un elevada curvatura (✂0) mayor que la observada en 1940 (comienzos del
proceso de avulsión, ver Figura 5.2) produciendo migración/expansión diferentes a la actual
108
condición. Luego de los procesos de avulsión, la pendiente del tramo incrementa y la
configuración en planta cambia notablemente asemejándose al principio de un proceso
meandriforme dado su proximidad a la embocadura del canal principal.
Figura 5. 4.-Línea central del cauce para los años 1977 a 2014 (en coordenadas UTM). La línea A-B-C-D
representa una aproximación de la línea de valle y define la dirección dominante de migración.
Los subtramos B-C y C-D presentan una gran dinámica en planta comparados con el tramo
aguas arriba de este (A-B) (Figura 5.4). Nótese que la amplitud de las curvas (madurez) y la
cantidad de paleocauces presentes a lo largo de la sección (B-C) aumentan hacia las regiones
aguas abajo (C-D). Particularmente, estos tramos (secciones B-C y C-D) muestran procesos
de avulsión de mayor jerarquía (en comparación con otros tramos). Estos procesos
cambiaron la forma en planta (curvatura y ángulo de deflexión) de las curvas y pendientes,
produciendo nuevas condiciones que el río necesitó/necesita adaptarse.
Tabla 5. 1.- Patrón morfodinámico de las curvas a lo largo del Colastiné (tramo de estudio).
Curvas ✂0 ✂0 Migración aguas Expansión ✄✟✡ *
(1977) (2014) abajo promedio promedio ✄
(2014)
(m/año) (m/año)
C1 17 20 11 2 0.08 1.0
C2 24 26 13 2 0.05 1.1
C3 35 35 8 3 0 1.1
C4 30 37 3 6 0.19 1.4
C5 44 48 4 10 0.11 1.3
C6 86 92 3 10 0.16 1.7
C7 70 79 9 12 0.24 1.7
C8 95 98 8 13 0.08 1.8
C9 95 97 -- -- 0.05 3.0
*Sinuosidad
✄✞ fijo 2014-1977 (37 años)
Para la segunda campaña C2013 se midieron 3 curvas en detalle (i.e. las correspondientes al
tramo entre secciones S7 y S12 de C2011). Fue necesario tomar un mayor número de
transectas con menor espaciamiento entre estas, a fin de contar con una mayor resolución
espacial de la estructura de flujo y transporte de sedimentos en las curvas de estudio. En este
subtramo se escogieron un total de 12 secciones perpendiculares a la margen (desde R1 a
R12), líneas rojas ver Figura 5.5b. Adicionalmente, se seleccionaron 38 secciones (línea
negra, Figura 5.5b), para los relevamientos batimétricos y descripción morfológica del
fondo. En la tercera campaña (C2014b), se relevaron 2 curvas sobre las mismas secciones
transversales elegidas para C2013 aunque solo en el subtramo de R5 a R12. En este caso se
buscó contar con registros para la descripción de la estructura de flujo, morfología y
transporte de sedimento suspendido en un nivel hidrométrico más bajo que el de desborde
descripto por C2013. Nótese que como en C2013, en C2014b también se llevó a cabo un
relevamiento batimétrico general (líneas negras, Figura 5.5b), y uno detallado donde se
midieron secciones transversales equidistante 20 m sobre la curva de ápice R7. Para este
110
último caso, el relevamiento batimétrico se llevó a cabo con el ADCP Teledyne RDI de 1200
kHz, proyectando posteriormente las profundidades registradas por sus 4 transductores y
tener, de esta manera, una mayor resolución espacial y temporal que permita la identificación
de las formas de fondo. Nótese que se escogió utilizar diferente notición para la campaña
✢☎☛✂✂ ✓✖✔ ✗✏ ✗✛✘✒✏ ✠✂ ✔✄✛ ✏✔✘✛✓✛✕✛ ✏✗ ✔ ✜✛✒✖ ✕✛ ✗✏ ✣✛✓✓✙✚✔ ✄ ✜✙✛✔✘✒✏✣ ✔✄✛ ✂✏✒✏ ✢☎☛13 y
✢☎☛✂☞✑ ✣✛ ✄✘✙✗✙☎✏ ✁✂✝
A excepción del relevamiento detallado en el ápice de R7 (ya descripto), los relevamiento
batimétricos de C2013 y C2014b se llevaron a cabo con una ecosonda simple haz de 200
kHz acoplada a un sistema de posicionamiento diferencial (DGPS-RTK siglas en ingles
Differential Global Positioning System-Real Time Kinectic), el cual cuenta con un error
posicional en la horizontal de ✌0.02 m.
Figura 5. 5.-Tramo en estudio y secciones transversales medidas sobre el río Colastiné en las campañas: a)
C2011 (09/05/2011: desde S1 a S12), b) C2013 (10-11/06/2013: desde R1 a R12) y C2014b (05-06/11/2014:
tramo desde R5 a R12).
5.5 Resultados
5.5.1 Características morfológicas del fondo
En la Figura 5.6 se presenta la morfología del cauce relevada en C2013, la que comprende
la sucesión de los tres meandros entre secciones R1 a R12. La misma fue creada con la
información batimétrica de secciones seleccionadas (ya descriptas) y métodos de
extrapolación ya mencionados en Capítulo 4.
Se pueden distinguir las siguientes características distintivas:
- Gran tamaño del point bar y de forma aproximadamente plana, extendiéndose hacia aguas
abajo hasta el cruce del thalweg de margen a margen. Notar que este cruce se produce
inmediatamente aguas arriba del comienzo de la siguiente curva.
- Diferencias entre la curvatura del cauce (tomando las márgenes como referencia) con la
correspondiente curvatura definida por el thalweg. Siguiendo la línea de esta última se
observa un incremento brusco de la curvatura inmediatamente al inicio de la curva (luego
del cruce del thalweg a la margen opuesta). Esta curvatura va disminuyendo hacia aguas
abajo extendiéndose hasta la zona donde se produce el siguiente cruce. Este hecho, junto al
acompañamiento del flujo a esta morfología, genera un complejo comportamiento y
variación de los radios de curvatura, lo que dificulta la selección apropiada del plano
transversal y, por lo tanto, de los métodos para la descomposición de corrientes secundarias,
e.g. método de línea central (ver ítem 5.2.1).
- Concentración definida de las isolíneas de máximas profundidades entre el ápice hacia
aguas abajo. Esto genera secciones transversales con un punto de quiebre pronunciado del
point bar y brusco aumento de pendientes de fondo hacia el thalweg. El ancho de thalweg
presenta valores menores del 50% del ancho total del cauce, con mínimos en la zona de los
ápices. Perfiles transversales de forma semirectangular solo se observan en tramos cortos en
112
la zona de cruce del thalweg (entre secciones R1-R2, R5-R6 y R10).
La Figura 5.7a muestra la batimetría resultante sobre el subtramo que abarca las secciones
R6, R7 y R8 realizada en C2014b. Además de la batimetría detallada, en la Figura 5.7b,c se
muestra los perfiles longitudinales extraídos de la batimetría resultante. Se observa en planta
como las formas de fondo presentan una fuerte componente tridimensional con orientaciones
de la línea de cresta perpendicular al perfil longitudinal. En cuanto al perfil longitudinal
Figura 5.7b, sobre el point bar se distinguen formas de fondo de alturas medias cercanas a
0.5 m y longitudes medias de 60 m. Cabe resaltar que la altura de estas formas de fondo
parece incrementar desde el inicio de la curva (o entrada) hasta el punto cercano al ápice.
Figura 5. 6.-Morfología del fondo y ubicación de secciones transversales relevadas con ADCP (C2013).
113
C2013, i.e donde se producen los cambios del fondo más bruscos. Se puede distinguir
diferentes comportamientos: para el caso del ápice R3, se detecta un banco cuasi-horizontal
sobre los primeros 100 m desde margen izquierda, seguido por un suave descenso del fondo
con una pendiente media de 2º hasta la zona de máxima profundidad, luego se inicia un
aumento paulatino de la pendiente hasta alcanzar un valor máximo de 40º sobre la margen
derecha.
Figura 5. 7.- Resultados de a) batimetría detallada entre secciones R6 y R8 relevada durante C2014b, b)
perfil longitudinal sobre point bar, y c) perfil longitudinal sobre el thalweg.
Para el caso de la curva R7, el banco interno de forma cuasi-horizontal se prolonga unos 170
m desde la margen derecha (50% del ancho total) incrementando luego la pendiente (hasta
10º) en el thalweg, para luego aumentar hasta 20º sobre la margen izquierda. Un
comportamiento similar se aprecia en la sección R11. En esta última, el banco interno cuasi-
horizontal presenta una mayor extensión (comparado con R3 y R7) de aproximadamente
225 m, i.e. el 60% del ancho total. Los comportamientos de las pendientes transversales del
fondo sugieren diferentes procesos o bien diferentes factores que afectan la migración del
banco. Las bajas pendientes sobre la margen cóncava indican además una mayor estabilidad
de la misma, en comparación a cauces de menor escala o aquellos estudiados en laboratorio,
con valores de pendientes en las cercanías de la margen cóncava casi verticales (Dietrich,
1987; Nanson, 2009).
114
Figura 5. 8.- Pendiente y perfiles transversales en secciones correspondientes a los ápices. a, b y c
corresponde a secciones R3, R7 y R11 respectivamente relevadas en campaña C2013.
5.5.2 Granulometría
Como se indicó anteriormente las muestras fueron extraídas de diferentes regiones sobre las
tres curvas analizadas en el presente capítulo, tanto del fondo como sobre las márgenes.
Respecto a la✣ ✂✒✙✜✛✒✏✣ ✣✛ ✗✏✣ ✂✒✛✣✛✔✘✏ ✓✖✔ ✛✗ ✂✒✛ ✙✁✖ ✁✂ ✂ ✗✏✣ ✣✛ ✄✄✔✕✏✣ ✓✖✔ ✁✁✂ ✝ ✏
Figura 5.9 se aprecia los D50 y ✁g ✌✌✞☛✂ ✄✞✄☎ ✆ para las muestras de fondo aquí tomadas. De
manera generalizada se distingue una gran variación de la granulometría en las secciones
donde se tomaron muestras que incluyen el point bar y la región de máxima profundidad
(R3, R7 y R11). En sección R3 (muestras M1 y M2) se aprecia una leve disminución en la
granulometría del material (D50 igual a 0.33 y 0.38 mm, respectivamente). En R7, se ve
claramente una disminución de tamaño de partículas entre margen interna y centro del cauce
M5 y M4, respectivamente. Este último comportamiento podría estar afectado a las altas
concentraciones del material en suspensión (más fino), cuestión que se analizará más
adelante. Notar que sobre la margen externa, muestras M3, M4 y M8) se obtuvieron muestras
de material semi-consolidado (mezcla de arcillas, limos y arena) correspondiente a un estrato
inferior compuesto de este material y alcanzado solo en zonas de máximas profundidades
sobre las curvas más pronunciadas (R7 y R11).
La Tabla 5.2 detalla los resultados del hidrómetro (ver ítem 2.3.3) correspondiente a las
muestras tomadas sobre las márgenes (MM1-2-3-4) del cauce, y muestra la gran presencia
de la fracción de arenas sobre todas las muestras tomadas con valores mínimos >60%. Dicho
resultado habla de la importancia que representan en la conformación de margen por parte
de las arenas. Cabe destacar además que las muestra MM1 y MM2 corresponde a la misma
región sobre dos estratos identificados (superior e inferior respectivamente), aguas arriba de
la curva que contiene a R7.
Tabla 5. 2.- Porcentajes de composición de muestras obtenidas de las márgenes del río Colastiné.
Figura 5. 11.- Campo de velocidades medias en la vertical para relevamientos C2013 (a) y C2014b (b).
117
del thalweg y caudales, las velocidades presentan una distribución constante a lo largo de la
sección transversal. Sobre R3, los máximos caudales específicos se concentran sobre la
región externa, en este caso sobre la margen opuesta a R1 y el flujo es acelerado hacia aguas
abajo en R4 y R5 hasta llegar a R6, donde se expanden nuevamente en toda la sección (como
en R2), volviendo nuevamente a producirse una rápida transferencia de caudales hacia la
margen opuesta. Debido a la gran extensión del thalweg sobre R7 (Figura 5.11a), éste
concentra las máximas velocidades en esta región, distinguiéndose un elevado gradiente en
la región cercana a las márgenes. En esta segunda curva el cruce de máximas velocidades se
produce entre R6 y R7. Posteriormente sobre R8 a R10 el flujo máximo es acelerado y se
expande (en el ancho de la sección transversal), hasta llegar al siguiente ápice R11 donde se
uniformiza nuevamente. Cabe resaltar que de todo el tramo de análisis las secciones donde
se localiza los mayores gradientes de velocidades no coinciden con las de los ápices, sino
entre los tramos medios entre ápices. Por el contrario, se observa un aumento del ancho
(área) en región del ápice, lo que produce una desaceleración del flujo sobre esta zona. Este
comportamiento morfológico será analizado en los siguientes puntos.
En cuanto a lo medido en C2014b de manera general y como se indicó al inicio de este ítem,
parece presentar importantes similitudes al ya descripto en C2013. Las diferencias más
relevantes se encuentran sobre las secciones del ápice R7 y R11, en donde para C2014b se
encuentra una marcada reducción de velocidad en la zona del point bar, produciéndose una
mayor concentración del flujo sobre el thalweg.
Figura 5. 12.- Corrientes secundarias para secciones de ápice descompuestas por diferentes métodos
distinguidos por colores: i) negro, método de línea central; ii) rojo, Rozovskii y iii) azul, cero caudal. Cabe
destacar que las figuras a y b corresponden a las sección R7, y c y d a R11, para C2013 y C2014b,
respectivamente.
Se destaca que el método de Rozovskii identifica los movimientos helicoidales aunque las
intensidades de los vectores sea aún motivo de discusión (Lane et al., 2000; Morell, 2016).
120
Figura 5.12.- continuación.
Por el contrario, el método de Rozovskii no identifica ningún patrón unidireccional del flujo
como el presente sobre el point bar, producto de la transferencia de caudales hacia la margen
externa, sí identificado por el método de CQ. Sin embargo, el método de CQ presenta
problemas en secciones donde existe un cambio en la dirección dominante del flujo en la
transversal producto, por ejemplo, de una expansión o confluencia del flujo (Szupiany,
2008). Notar por ejemplo en Figura 5.13 donde se muestra las secciones intermedias entre
R7 y R11 para C2013, la sección R6, muestra una expansión del flujo producto del aumento
de ancho en esta zona. Aquí, la desviación del flujo hacia la margen externa en la zona central
✛✣ ✓✖✜✂✛✔✣✏✕✏✂ ✂✖✒ ✄✔ ✗✄ ✁✖ ✕✛ ✣✛✔✘✙✕✖ ✙✔ ☎✛✒✣✖ ✆✏✓✙✏ ✗✏ ✜✏✒✄✛✔ ✙✔✘✛✒✔✏✄ ✣✖✑✒✛ ✛✗ ✂✖✙✔✘ ✑✏✒✄
121
comportamiento opuesto al generado hacia aguas abajo (secciones R7, Figura 5.12). Similar
condición se muestra en R8, pero en este caso entre el centro del cauce y margen externa.
Esta problemática es común en grandes cauces como los presentes en el sistema del Paraná,
donde los elevados anchos producen diferentes direcciones dominantes del flujo para una
misma sección, generando patrones erróneos o bien el ocultamiento de estructuras
coherentes del flujo, si se considera un caudal cero en la transversal.
Por lo tanto, dada las ventajas y desventajas de los métodos planteados, y al objetivo central
del presente capítulo de analizar el comportamiento del flujo helicoidal, se empleará el
método de Rozovskii, el cual identifica adecuadamente este movimiento coherente.
Figura 5. 13.- Corrientes secundarias para secciones entre ápices descompuestas por diferentes métodos
distinguidos por colores: i) rojo, Rozovskii y ii) azul, cero caudal transversal. Cabe destacar que las figuras
corresponden al relevamiento C2013.R5, R6, R8, R9, R10 y R12.
123
Figura 5. 13.- Continuación.
En esta primera curva el centro de máximas velocidades primarias se desplaza de una margen
a otra entre R1 y R2 y se concentra sobre la misma hasta R5. Notar una zona de expansión
en la curva, produciendo una disminución de las velocidades primarias en la zona del ápice.
Por su parte entre R3 y R5, se produce una aceleración y concentración del flujo primario
124
sobre la margen derecha, acompañada por una reducción del ancho del cauce.
Figura 5. 14.- Velocidad primaria del flujo (up), secundaria (us) de la campaña C2013 y C2014b (margen
izquierda y derecha, respectivamente). Ver Figura 5.5b para su ubicación en planta.
Entre secciones R5 y R6 se inicia una nueva celda secundaria, en este caso en sentido opuesto
125
a la previa, la cual ocupa toda la sección en R6 y luego se concentra en la región externa en
R7. Se distingue entonces una reducción del ancho de la celda secundaria que ocupa sobre
la sección, pasando de un 90% en R6 a un 40% en R7. Notar que en R7, la celda se encuentra
entre la vertical de máxima profundidad y el punto de quiebre del point bar. Hacia aguas
abajo, la celda mantiene su ancho e intensidad, desapareciendo recién inmediatamente aguas
abajo (sobre sección R9).
126
Figure 5.14.- continuación.
Al igual que en el tramo medio anterior, en secciones R8, R9 y R10 el centro de máximas
velocidades primaria sigue alineado sobre la margen izquierda con un aumento en las
velocidades máximas y disminución del ancho de sección. La tercera curva inicia su celda
entre las secciones R10 y R11. Sobre esta última, se distingue una celda secundaria
desarrollada nuevamente entre la zona del quiebre del point bar y la margen externa. El
rápido cambio en el núcleo de máximas velocidades primarias de margen a margen produce
un abrupto aumento de la curvatura, mayor que el observado en planta. Este comportamiento
127
causa un incremento en la transferencia de caudal transversal hacia la margen externa,
generando un extenso point bar en la sección y hacia aguas abajo (cubriendo más de un 60-
70% del ancho de la sección). El movimiento helicoidal tiene un vínculo con el fenómeno
anteriormente descripto, resultando en celdas secundarias más concentradas en el ápice y sin
interacción con el point bar, lo que siguiere una pobre transferencia del flujo y sedimentos
sobre el mismo, disminuyendo el recrecimiento de la margen interna de la curva por
sedimentación, tal lo observado en pequeños cauces meandriformes.
Este comportamiento también puede ser detectado en Figura 5.7, en donde las líneas de
crestas de las formas de fondo sobre el point bar presentan un comportamiento cuasi-
perpendicular al flujo. El movimiento desigual entre margen interna (sedimentación) y
externa (erosión), sería el responsable del aumento de anchos en zona de ápices, tal se
observa en R3, R7 y R11 (Figura 5.11 y 5.14).
Otra característica distintiva mostrada en Figura 5.14 es la disminución de velocidades y un
patrón de flujo aleatorio (no coherente) en cercanía de las márgenes, presente para todas las
secciones, y especialmente en aquellas localizadas sobre el ápice de las curvas. Este
comportamiento se debe a la influencia de la rugosidad de las márgenes producidas
principalmente a la presencia de vegetación, la cual genera un patrón de erosión irregular
(Figura 5.15). Además, claramente sobre margen exterior de la sección R7, se presentan
árboles caídos, lo que origina una resistencia adicional al flujo y disminución de las
velocidades. De Figura 5.14 y relevamientos con drone en la zona, se determinó que esta
franja de influencia o afectación puede superar los 50 m (ver Figura 5.15), es decir mayor a
un 10% del ancho de la sección. A fin de evaluar este efecto, se realizaron mediciones con
ADCP en forma estática (i.e. con el bote anclado durante 15 min.) en cercanías de la margen
externa, centro del cauce y sobre una vertical intermedia entre ambas coincidente
aproximadamente a la capa de corte que se genera en esta zona (ver sección R7, Figura 5.3
para ubicación).
En Figura 5.15 se presenta la ubicación de los perfiles verticales evaluados. Cabe destacar
que estas imágenes fueron capturadas con el equipo drone en la campaña C2014b (Ver
detalles en 2.3.4.4).
La Figura 5.16, muestra la variación de la dirección del flujo (respecto al norte) y la
velocidad en diferentes verticales sobre la sección transversal R7, a 30 m, 60 m y 150 m de
la margen izquierda/externa (Figura 5.15, puntos a, b y c, respectivamente). Se puede
apreciar la clara e importante variación del flujo, tanto en la intensidad como en las
direcciones en el punto más cercano de la región externa (a) ubicada dentro de la capa de
afectación de la rugosidad. Notar que las variaciones en la profundidad se debieron a la
128
imposibilidad de que la embarcación permanezca inmóvil en un punto, dado los importantes
remolinos presentes en esta zona. Este comportamiento aleatorio se va reduciendo
gradualmente hacia la región media del cauce, desarrollando un flujo más uniforme, en
concordancia con el efecto de la rugosidad de la margen y presencia de vegetación caída. En
efecto, se produce una reducción en la velocidades y desplazamiento del núcleo de máxima
velocidades, máximas profundidades y de la celda secundaria. Cabe destacar que esta
rugosidad de la margen externa (Figura 5.15e) podría prevenir la formación de pequeñas
celdas de circulación opuesta a la principal sobre la región externa superior (Blanckaert y
Graf, 2001, 2004; Termini y Piraino, 2007).
Figura 5. 15.- Características de la rugosidad de margen en cercanía de sección R7. Ubicación de mediciones
estáticas. Imagen aérea tomada con un equipo Drone provisto por el Centro de estudios y Tecnología del
Aguas de la UNC.
Nótese además que sobre el cauce se ha observado in situ una capa de corte producto de un
trazador natural a unos 50 m (Figura 5.15b) de la margen izquierda o externa del cauce (i.e.
entre los puntos a y b aquí analizados). Cabe destacar que debido a las limitaciones propias
del equipo ADCP no es posible realizar mediciones acústicas directas de parámetros de
turbulencia que otorguen mayor información sobre dicho fenómeno.
129
Figura 5. 16.- Dirección y velocidad del flujo obtenida de mediciones estáticas con ADCP (intervalo de 15
min.) en las verticales a, b y c (ver Figura 5.15a) sobre la sección R7.
130
5.5.4.2 Distribución transversal del Css y su relación con la estructura del flujo
El campo de concentraciones del sedimento suspendido de fondo se presenta en la Figura
5.18 para las secciones relevadas en C2013 y C2014b. Para ello se utilizó el código ASET
ya presentado en el Capítulo 3. El comportamiento general de dicha variable muestra una
gran similitud para todas las secciones transversales, ubicándose las máximas
concentraciones sobre el centro del cauce con pequeñas variaciones hacia las márgenes. El
punto más destacable de estos resultados es la no coincidencia con los centros de máximas
velocidades, sugiriendo un claro efecto de las corrientes secundarias en la distribución
transversal de este sedimento.
Figura 5. 17.-Variación del caudal líquido (Q), sólido (Gss) y curvatura (1/Radio) desde embocadura hacia
aguas abajo (sección R12) para los relevamientos C2011, C2013 y C2014b.
Hay dos puntos en la estructura del flujo que incide en esta redistribución del sedimento
suspendidos. Por un lado, el flujo tipo ✁ (producto de la transferencia de caudal transversal
de margen a margen en las curvas), el cual debido a su distribución en la vertical (i.e. en
aumento desde el fondo hacia superficie) no afecta considerablemente a las concentraciones
de sedimento, las cuales se concentran en las cercanías del fondo, produciendo un escaso
efecto de transferencia de sedimento desde margen interna a externa. Por el contrario, el
✗✄ ✁✖ ✂✙✂✖ ✂ ✗✄ ✁✖ ✆✛✗✙✓✖✙✕✏✗✎ ✛✗ ✓✄✏✗✄ ✘✏✗ ✗✖ ✕✛✣✓✒✙✂✘✖ ✛✔ ✠✛✓✓✙✚✔ ✞✝✞✝✁✝☎✝☎✄ ✣✛ ✖✒✙✄✙✔✏ ✛✔ ✗✏✣
curvas y se propaga hacia aguas abajo, hasta el inicio de la siguiente curva, e influye
fuertemente sobre el núcleo de máximas concentraciones redistribuyéndolo desde margen
externa hacia el centro del cauce, de acuerdo a la intensidad que presentan las celdas
131
secundarias. Este efecto será descripto y evaluado con mayor detalle en Capitulo 6. Este
comportamiento es apreciable en Figura 5.18. Notar además que en secciones del ápice (R3,
R7 y R11) se observa una mayor concentración del sedimento, justamente en las secciones
donde se combinan con una mayor intensidad ambos tipos de flujo (con efectos en
direcciones contrarias).
Figura 5. 18.- Campo de concentración de sedimento suspendido de fondo sobre las secciones relevadas en
C2013 y C2014b (margen izquierda y derecha, respectivamente).
132
Para el mayor número de secciones, en especial R2, R5, R6, R7, R10 y R11 se observa una
disminución de la velocidad del flujo (comparar Figura 5.14 con 5.18) en la zona donde se
localiza el centro de máximas concentraciones. En algunos casos, esta disminución produce
un división de centro de máxima velocidad (notar este comportamiento en R2, R6, R7 y
R11). Mayores investigaciones se deben realizar para explicar si este comportamiento es
debido a la traslación de las partículas a menor velocidad del flujo (incumplimiento de la
suposición de los ADCP, medición de la velocidad a través de la partícula sólida) o una real
disminución de la velocidad del flujo producto de la presencia de altas concentraciones, o
bien probablemente, la ocurrencia de ambos procesos.
133
En Figura 5.19 se muestran las líneas que unen los núcleos de máximas velocidades y
máximas concentraciones de material de fondo en suspensión para las campañas C2013 y
C2014b. Nótese que mientras el flujo se adapta rápidamente a los cambios de curvatura y
morfología, el comportamiento del sedimento i.e. desplazamiento sobre la transversal,
parece reducido manteniéndose sobre el centro del cauce, tal los procesos descriptos
anteriormente. Nuevamente esto explicaría la gran extensión del banco interno y su
desarrolla hacia aguas abajo, hasta el inicio de la próxima curva aguas abajo (ver Figura 5.6).
Figura 5. 21.- Comportamiento de isolíneas de caudal líquido (a) y sólido (b) sobre el tramo relevado en
C2013. Cabe destacar que el delta de magnitud utilizado es de 20%.
Figura 5. 22.-Variación de perfiles transversales en canales de laboratorio (Hooke, 1975) y sobre meandros
del río Colastiné (C2013). La progresiva cero corresponde a margen convexa (interna), ✟ ✌ es profundidad
Figura 5. 23.- Modelo conceptual de los tipos de flujo presentes en la sección de ápice del río Colastiné.
138
5.7 Conclusión
El presente capítulo presenta una detallada descripción y análisis de la interacción entre la
estructura de flujo, transporte de sedimento suspendidos y morfología del río Colastiné, un
gran cauce secundario meandriforme del sistema río Paraná, el cual se caracteriza por una
elevada relación B/H (>50). Se analizó un tramo general de aproximadamente 20 km el cual
comprende, desde su embocadura con el cauce principal del Paraná, a una sucesión de
✜✛✏✔✕✒✖✣ ✗✙✑✒✛✣✄ ✕✏✔✕✖ ✓✏✒✏✓✘✛✒☎✣✘✙✓✏✣ ✕✛ ✗✏✑✖✒✏✘✖✒✙✖ ✔✏✘✄✒✏✗✂✄ ✚✂✘✙✜✖ ✂✏✒✏ ✏✗✓✏✔☎✏✒ ✗✖✣
objetivos buscados aquí. Los resultados alcanzados pretenden ser un avance en el
conocimiento del comportamiento de ríos meandriformes, en especial aquellos presentes en
grandes sistemas en donde, dada la dificultad en la cuantificación de las variables por la
escala espacial involucrada, no han sido hasta el momento adecuadamente analizadas. En
este sentido, la combinación de metodologías diseñadas previamente por el grupo de
investigación y el desarrollo de nuevos códigos computacionales para el tratamiento de las
mismas, han permitido la obtención y descripción de variables y su interrelación no
alcanzada hasta el momento en otros estudios. A continuación se detallan las principales
conclusiones obtenidas:
a) Morfología: El Colastiné presenta un point bar extenso en ancho y longitud, cuyo mayor
desarrollo se encuentra en el ápice de la curva (ocupando más de un 50% de la sección
transversal) con una configuración aproximadamente plana, produciendo un quiebre
definido al aproximarse al thalweg ubicado sobre la margen externa. Esta característica
parece acentuarse en curvas con menores radios de curvatura (R7 y R11), mientras que para
R3 el point bar se asemeja al desarrollado en cauces menores. El thalweg desarrolla una
configuración definida sobre el fondo siempre en la margen externa de la curva hasta
inmediatamente el inicio de la siguiente curva, en ese punto se desarrolla un cambio brusco
de la curvatura, considerablemente más elevada en comparación con la observada en planta
(Figura 5.6).
b) Estructura de flujo: El comportamiento del flujo medio en el tramo, tanto para C2013 y
C2014b, presenta similitudes, las cuales se caracterizan por una aceleración del flujo en la
zona entre ápices (sobre la región cercana a la margen) acompañado por una disminución
del ancho del cauce. Sobre la zona del ápice, el ancho del mismo se incremente produciendo
una desaceleración del flujo y concentración marcada sobre la margen externa. Se distingue
un cruce abrupto de las máximas velocidades de margen a margen en la zona inmediata antes
del ápice de la curva, siguiendo al thalweg. Este comportamiento genera una fuerte
transferencia transversal de caudales (a través del flujo tipo ✁), concentrando los mayores
139
caudales específicos sobre la margen externa, los cuales se mantienen hacia aguas abajo
sobre esta margen hasta el inicio de la siguiente curva.
La celda secundaria (movimiento helicoidal descripto a través del método de Rozovskii),
comienza a desarrollarse al inicio del cambio brusco del thalweg aguas arriba del ápice de
la curva, con intensidades bajas pero ocupando gran parte del ancho (80%). Luego reduce
su ancho incrementando su intensidad sobre la sección del ápice hasta localizarse en la
región (Figura 5.14). Estas celdas presentan intensidades máximas de hasta un 20% de la
velocidad primaria y se mantienen hacia aguas abajo, perdiendo intensidad, hasta el inicio
de la siguiente curva en donde, en una distancia de 2-3 veces el ancho, cambian el sentido
de rotación de acuerdo a la nueva, y opuesta, curvatura. La ausencia del movimiento
helicoidal (flujo tipo ☎ sobre el point bar indicaría la ausencia del proceso de transferencia
de sedimento donde la partícula se desplaza de la región erosionada a la interna (Dietrich,
1987). Por el contrario, se sugiere que el mecanismo de recrecimiento del point bar es por
acreción vertical producto de la desaceleración del flujo sobre esta zona, lo que explica su
configuración plana y el menor avance de la margen interna con respecto a la externa,
produciendo así un incremento del ancho del cauce en esta zona. Para períodos de aguas
bajas, la exposición de parte del point bar, produce un rápido crecimiento de vegetación,
favoreciendo la deposición de sedimentos posterior para niveles mayores. Ver en ítem 5.5.2
la composición del material de bancos adyacentes a las márgenes y fondo del cauce.
c) Sedimento suspendido: Se demuestra en el presente capítulo que mientras que los
núcleos de máxima velocidad se desplazan hacia la margen externa rápidamente debido a la
transferencia de caudales específicos a esta zona, el sedimento suspendido se mantiene cerca
del centro del cauce con leves modificaciones en su recorrido. Este comportamiento es
producto del efecto del flujo secundario. Por un lado, el flujo tipo ✁ (con mayores
velocidades cerca de superficie) afecta levemente al sedimento, el cual es transportado
✜✏ ✂✖✒✜✛✔✘✛ ✓✛✒✓✏ ✕✛✗ ✖✔✕✖✝ ✁✖✒ ✛✗ ✓✖✔✘✒✏✒✙✖✄ ✛✗ ✗✄✁✖ ✆✛✗✙✓✖✙✕✏✗ ✘✙✂✖ ✂✎ ✘✙✛✔✕✛ ✏ ✕✛✣✂✗✏☎✏✒
141
CAPÍTULO 6: Influencia de las corrientes secundarias sobre el
sedimento suspendido. Evaluación de un modelo numérico.
6.1 Introducción
El uso de modelos numéricos que permitan representar adecuadamente los fenómenos
hidráulicos y sedimentológicos en cauces naturales se encuentran potencialmente en
crecimiento tanto en el área científica como ingenieril (Wu, 2008). Estos pueden resolver
los fenómenos en una, dos o tres dimensiones (1D, 2D y 3D, respectivamente), presentando
ventajas y desventajas de acuerdo a los objetivos buscados. La selección de la dimensión de
resolución de los modelos suele depender del tamaño del dominio, de las variables y del
grado de resolución (espacial y temporal) del fenómeno que se quiere estudiar. Mientras que
los modelos 1D son generalmente utilizados para grandes dominios y tiempos de simulación,
no permiten resolver patrones de flujo complejos bi o tridimensionales, como si lo hacen los
modelos 2D (con algunas simplificaciones) y 3D. Sin embargo, estos últimos requieren de
elevados costos computacionales, lo que resulta a menudo modelos sobre dominios
acotados.
Particularmente, en grandes cauces caracterizados por elevadas relaciones entre el ancho y
la profundidad (B/H), los modelos 2D han sido los más utilizados, ya que permiten obtener
adecuadas resoluciones en dominios extensos, a un razonable costo computacional. Además,
muchos de los fenómenos físicos como ser los que gobiernan el transporte de sedimentos se
basan en parámetros medios del flujo, sin la necesidad de conocer en detalle su distribución
vertical.
Sin embargo, los resultados logrados con modelos 2D pueden ser limitados o erróneos bajo
situaciones de flujo fuertemente tridimensional, como ser el flujo helicoidal generado en
curvas o en el modelado del transporte de sedimentos en cauces de lechos aluviales, dada la
distribución no homogénea en la vertical de las concentraciones de sedimentos proveniente
del fondo del lecho, caracterizada por un aumento desde superficie hacia el fondo (Rouse,
1937; García, 2008) (Figura 6.1).
Generalmente, los modelos 1D o 2D consideran que el sedimento suspendido es advectado
por la velocidad promediada en la vertical (Cao y Carling, 2002), bajo la hipótesis que este
se propaga a la velocidad del flujo y es homogéneo en la vertical. Nótese que si se vincula
el comportamiento del flujo y del sedimento suspendido en cauces de lecho arenosos (con
distribuciones de sedimentos en la vertical como la presentada en Figura 6.1) se desprende
que la componente secundaria producto del movimiento helicoidal produce un flujo
142
transversal neto de sedimentos suspendido, debido a que la concentración de sedimentos no
es uniforme en la vertical (Figura 6.1). Por lo tanto, mientras que el promedio de flujo
secundario en la vertical se aproxima a cero (Rozovskii, 1957), el flujo de sedimentos
promedio no lo es.
Figura 6. 1.- Diagramas del perfil de velocidad secundaria, distribución de concentraciones y flujo de
sedimento suspendido en la transversal. Modificado de Olesen (1987).
☞ ☞ ✑ ☞ ✛ ☞ ☞
✌ ✌ ✌ ✍ ✄ (6.1)
☞✁ ☞✗ ☞✜ ☞
La Ec. 6.2 puede ser reordenada, multiplicando y dividiendo por ✞ , que es la concentración
promediada en la vertical, resulta en:
o bien,
☞ ☎ ☞ ✂✂✂✂✂✂✂✂ ☞ ✂✂✂✂✂✂✂✂ ☞
☎✝ ✁✄✝☎ ✟ ✌ ☎✝
☞ ✝ ✄✄✝☎ ✍ ✄
✝✄✝☎ ✟ ✌ ☎✂✂✂✂✂✂✂✂✂
✌ ✟ (6.4)
☞✁ ☞✗ ☞✜
donde UADV y VADV es la velocidad advectiva (en x e y), las cuales son menores o iguales a
la velocidad promediada en la vertical. Estas se pueden definir, bajo las dos direcciones
globales de análisis (x,y), incluyendo la corrección por el perfil de concentraciones (Rouse,
1937; Lane y Kalinske, 1941) como:
☞ ☛
✆✎ ✑✒ ✁ ✒ ✁
✁✄✝☎ ✍ ☞ (6.5)
✆✎ ☛
✒ ✁
☞ ☛
✆✎ ✛ ✒ ✁ ✒ ✁
✝✄✝☎ ✍ ☞ (6.6)
✆✎ ✒ ✁ ☛
Por lo tanto, para la representación del transporte suspendido SIYPHE supone un perfil de
concentraciones como el propuesto por Rouse (1937) y resuelve las ecuaciones de transporte
promediadas en la vertical de la siguiente manera:
Donde ✏T es el coeficiente de difusión turbulenta del sedimento, considerado para este caso
145
igual al del flujo y H la profundidad. Por otra parte ET y DT son las tasas de erosión y
deposición respectivamente, calculadas sobre el nivel de referencia (z=a=✮H), ya explicado
en ítem 2.4.3.
✑ ☞
☛✤ ☎✡✟ ✍ ☛ ☞☞☞ ✒✄ ✌✝ ✘☎ ✠✡ ✌ ✞ ✌✝ ✘☎ ✠✡ ✓ ✄☎✄ ✓ ✞✟✮✄ ✌ ✞☎✄ ✌ ✞✡ ✟✯✁ (6.8)
✂
✞ ✍ ☛✆ (6.9)
✠
✘✟
✝✏ ✍ ✄✝ ✒
☛✠
✟ (6.10)
ks el coeficiente de rugosidad total (dunas + grano). El cálculo del radio de curvatura (R)
para cada nodo se lo obtiene a través de lo indicado por Shimizu e Itakura (1991):
✘ ✘
☛
✍ ✡ ✟✞ ☎✞☛✗ ✓ ☛✞✗ ✟ ✌ ☛☎✞☛✜ ✓ ☛✞✜ ✟✠
✒✑☞ ☛✛ ☞ ✁ ✌☞
(6.11)
146
✍ ✞ ☎✘✡✁✒ ☎☛✁
✒ ✁
(6.12)
☛
donde ★ ✁☛ ✄✌✞✂✄✞, ✞✂ es la tensión de corte del fondo del cauce, ✞ la densidad del agua
y ✁☛ la velocidad de caída de la partícula.
Figura 6. 2.- Ajuste propuesto por Petkovsek (2015) como simplificación a la Ec. 6.8 (Olesen, 1987).
✁✄✝☎ ✍ ✞ ✌ ✌✘ ☛, (6.13)
✝✄✝☎ ✍ ☛ ✓ ✌✘ ✞, (6.14)
☛
✌✘ ✍ ☛ ☛☞, (6.15)
✍
✘✘✠☛✡
✡✟ ✍ ☛✘☞ ☎✄ ✓ ☎✄✄ ✌ ✄✟☎✄✟ ✓ ✆☎✆✄ ✡✘ ✌ ✄☎✄✂☎✄✄ ✌ ✄✝☎✄✟, (6.16)
✡✘ ✍ ☎✄ ✓ ☎✄✟✂✄✄, (6.17)
✟ ✠ ✞✡ ✂✝ ✟ ✄ ☎✡☞✞ ✠ ✍ ✄✓ ✓ ✆✟
✄✍✌
✄ , (6.18)
✄✆ ✆ ✞✡ ✂✝ ✍ ✄
☎✄ ✍ ✎✏✑☎✄✄✟ (6.19)
147
Entonces las ecuaciones 6.11 y 6.13 a 6.19 fueron incorporados en una subrutina en
FORTRAN90 y son solicitados en cada paso de tiempo por SISYPHE para el cálculo y
correccion de la velocidad advectiva.
Cabe destacar que TELEMAC 2D cuenta con un método de corrección de corriente
secundarias, inicialmente propuesto por Bernard and Schneider (1992), el cual deriva las
ecuaciones de cantidad de movimiento para un flujo tipo helicoidal. Finnie et al. (1999)
modifica esta corrección incluyendo lo que llama aceleraciones debido al flujo secundario.
En otras palabras estas aceleraciones son debidas a la no uniformidad del flujo sobre un
plano horizontal y sobre uno vertical del perfil de velocidades en un flujo helicoidal. Esta
corrección provoca una reducción de las velocidades en interior de la curva mientras que las
incrementa en el exterior. Mayores detalles son presentados en Finnie et al. (1999) y Wang
et al. (2015).
6.3 Metodología
La región en donde se centrarán los estudios corresponde a un tramo de 20 km del río
Colastiné, desde su bifurcación con el río Paraná hacia aguas abajo (Figura 6.3). Para lograr
un entendimiento de todos los procesos hidrosedimentológicos imperantes en dicho tramo y
obtener la base de datos para la modelación, se llevó a cabo la campaña C2015 (Q= 2110
m3/s) ver ítem 2.3.5 por más detalles). De manera similar a las campañas ya presentadas en
el Capítulo 2, se relevó el fondo mediante mediciones batimétricas con ecosonda simple haz
sobre secciones equiespaciadas por 200 m aproximadamente. La estructura de flujo y señal
acústica fueron relevadas con un ADCP Río Grande de 1200 kHz Teledyne RDI, realizando
dos recorridos sobre cada una de las 7 secciones, las cuales corresponden a la embocadura
del Colastiné (sección S1, Figura 6.3), a los ápices de las curvas presentes en el tramo
(secciones S2 a S6, Figura 6.3) y una última sección aguas abajo del ultimo ápice en estudio
(sección S7, Figura 6.3). Como lo ya indicado previamente el posprocesamiento y obtención
de las variables hidráulicas se llevó a cabo con el software propietario del equipo ADCP,
WinRiver II (Teledyne RDI, 2009), el VMT (Parsons et al., 2012) y la señal acústica y
transformación a concentraciones con la herramienta computacional ASET desarrollada para
la presente tesis (Capítulo 3).
El segundo enfoque abordado en el presente capítulo será la modelación numérica
bidimensional y tridimensional de la hidrodinámica y sedimentología sobre el tramo medido.
Esto permitirá entender con mayor detalle la influencia de las corrientes secundarias sobre
el sedimento suspendido. La malla resultante para la modelación numérica se generó con el
148
software BlueKenue (BlueKenue, 2013), y se encuentra conformada por un total de 31713
elementos y 16976 nodos. El espaciamiento entre nodos ( ✁m) de la malla fue de 20 m y su
determinación se basó en la siguiente ecuación (Morell et al., 2014) (Ec. 4.1).
Cabe destacar que se aplicó a esta malla el control de independencia quintuplicándose el
número de elementos y evaluando la paridad de resultados entre la propuesta y aquella con
mayor resolución, quedando la indicada anteriormente.
En cuanto al Modelo Digital del Terreno (MDT) se generó con los datos batimétricos
relevados utilizando el software ArcGis (ESRI, 2011) y se mapeo sobre la malla previamente
mencionada. Cabe resaltar que fue necesario desarrollar un código en MATLAB que permita
una correcta interpolación lineal entre secciones relevadas con un espaciamiento entre estas
de 200 m y al cambio senoidal del tramo en estudio. Esto se debe a que las metodologías
clásicas como Kriging (Oliver, 1990), ofrecen desventajas en la generación del MDT en este
tipo de dominios curvos, ya que estos métodos clásicos limitan el dominio en una cuadrícula,
por lo tanto imposibilitan la trasmisión de datos sobre líneas curvas. El código desarrollado,
genera líneas perpendiculares entre secciones medidas (estas ingresadas como dato) usando
la función 'spline' (de Boor, 1978), y siguiendo estas las trayectorias paralelas a la línea
central del cauce (debe ser ingresadas por el usuario). Generadas estas líneas, se las divide
en tramos cortos (dependiendo de la región de estudio) y se interpola linealmente
trasmitiendo a todos los puntos sobre la línea generada entre secciones medidas. De esto
resulta una nube de puntos que deben ser tratados manualmente en ArcGis (ESRI, 2011). El
tratamiento dentro de este software es el mismo seguido en el Capítulo 4 (i.e. TIN a Raster
y Puntos)
La modelación se llevó a cabo para un estado subcritico y las condiciones de borde tanto de
entrada fueron un Q=2110m3/s y de salida un tirante constante de 13.41 m (sistema de
referencia IGN m.s.n.m). Ambos datos fueron tomados de la medición en campo C2015. El
paso de tiempo fue establecido basado en la condición de Courant (Co<1), y resulto de 2 seg
para ambos modelos 2D y 3D, con una convergencia numérica de 86400 seg para 2D y
129600 sed para 3D. Ambos con un error de cierre de continuidad de masa (caudal) menor
al 2%. En cuanto a la rugosidad relativa se utilizó el modelo de Nikuradse (ver Capítulo 4),
en base a las mediciones de fondo se determinó un ks=0.4 m (2D) en concordancia con las
formas medidas de fondo. En cuanto a la turbulencia el modelo de cierre utilizado fue el
✁✂ ✄Hervouet ☎✆✆✝ .
Para la evaluación de la corrección de corrientes secundarias se aplicaron cuatro escenarios:
i) sin corrección, ii) con la corrección del flujo obtenido de TELEMAC 2D (Finnie et al.,
1999), iii) con la corrección propuesta por Petkovsek (2015) y iv) a través de la modelación
149
tridimensional.
Figura 6. 3.- Tramo en estudio, morfología del fondo del cauce y secciones relevadas con ADCP. El lecho
esta expresado en cotas IGN (m.s.n.m).
150
bidimensional obtenida en BlueKenue anteriormente. Esto construyó elementos prismáticos
limitados desde el fondo a la superficie. Los elementos fueron divididos en 8 planos
intermedios equisdistanciados en la vertical, con la limitación de generar el mismo número
de prismas entre planos y dando como malla resultante compuesta por 347392 prismas. Se
utilizó el mismo paso de tiempo asignado para el modelo bidimensional (verificando en todo
el dominio la condición de Courant Co<1).
Las condiciones de borde hidrodinámicas (i.e. Q y altura constante) como sedimentológicas,
i.e. Cor1 y Cor2 anteriormente indicados para el caso bidimensional, fueron aplicados en
TELEMAC 3D. Cabe destacar que para este caso se modificó, reduciendo el coeficiente de
resistencia del flujo de Nikuradse ks=0.27 m. Nuevamente el perfil vertical utilizado para la
descripción de las concentraciones es el de Rouse (1937), y la concentración de equilibrio
propuesta por van Rijn (1984). El fondo se rigidizó con el mismo objetivo buscado en el
modelo bidimensional. Con el fin de lograr una convergencia con mayor rapidez se optó por
introducir una variación de caudal ascendente hasta el valor a modelar.
Figura 6. 4.- Comparación de Cref obtenidos del método de extracción de datos en campo y los logrados por
ecuaciones empíricas.
6.4 Resultados
A continuación se presentan los datos de campo más relevantes de la campaña C2015 en
función de los objetivos del presente capítulo, incluyendo la cuantificación de la estructura
de flujo y campo de concentraciones del sedimento suspendido en el tramo de estudio (entre
secciones S1 a S6 (ver Figura 6.3). Seguido se muestran los resultados de la modelación
numérica en donde se evalúan diferentes escenarios a fin de explicar y validar métodos que
representen la influencia de las corrientes secundarias en el sedimento transportado en
suspensión.
154
Figura 6. 5.- Estructura de flujo, velocidades primarias y secundarias (Rozovskii, 1957) sobre las secciones
medidas en C2015 con ADCP.
155
Figura 6.4.-continuación.
156
Figura 6. 6.- Mapa de concentraciones calculados por ASET y corrientes secundarias (Rozovskii, 1957)
sobre las secciones relevadas en C2015.
157
Figura 6.6.- continuación.
158
6.4.2 Modelación numérica hidrodinámica 2D y 3D. Comportamiento de velocidades
medias
La Figura 6.7 muestra el campo de velocidades promediadas en la vertical (a) y las tensiones
de corte (b) para todo el tramo en estudio. Además, en Figura 6.8 se presenta la distribución
en la transversal de las velocidades medias en la vertical para cada una de las secciones
relevadas en C2015 y los datos obtenidos del modelo TELEMAC 2D y TELEMAC 3D.
Notar además los valores de velocidad registrados con el ADCP, las cuales han sido
utilizadas para la calibración del modelo para cada caso. Se observa que la hidrodinámica
representa adecuadamente el comportamiento natural del tramo, con pequeñas diferencias
en cuanto a la magnitud y comportamiento transversal para los distintos casos. Entre estos,
para las secciones con máxima curvatura (y por lo tanto flujo helicoidal), i.e. S4, S5 y S6,
como el método de Petkovsek (2015) produce un desplazamiento del núcleo de máximas
velocidades hacia el centro del cauce, no registrándose, como es de esperar, para el caso sin
corrección ni el método de Finnie et al. (1999). Incluso, este comportamiento no es
distinguido en la modelación 3D.
Figura 6. 7.- Velocidades medias (a) y de corte (b) en la vertical obtenidas sobre el tramo de estudio del río
Colastiné por TELEMAC 2D, sin corrección por efecto de corrientes secundarias.
159
Figura 6. 8.- Distribución de velocidades medias en la vertical medidas y modeladas para los distintos casos
de estudio y para cada sección analizada y relevada en campo.
160
externa de las curvas permaneciendo sobre esta hasta inmediatamente aguas arriba de la
curva siguiente. Notar que el cruce hacia la margen opuesta es más gradual que al cruce del
thalweg para el estado hidrológico modelado. Como ya fue presentado en Capítulo 5, bajo
estados de aguas medias, el flujo presenta una mejor correlación con el comportamiento del
thalweg (C2014b).
Se aprecia además en Figura 6.7, la concentración de las líneas de corrientes sobre la curva
y hacia aguas abajo, opuesto al comportamiento sobre el point bar, generando una zona con
menor capacidad de transporte. Este comportamiento explica el quiebre brusco del point bar
y su variación gradual de la pendiente transversal y gran extensión.
161
Figura 6. 9.- Resultado de la modelación del transporte de sedimento suspendido para la condición Q1,
aplicando los diferentes métodos de corrección de corriente secundaria en TELEMAC 2D acoplado a
SISYPHE. a) sin corrección de corrientes secundarias, b) con corrección Finnie et al. (1999), y c) con
corrección de Petkovsek (2015).
162
Las Figuras 6.13 y 6.14 muestran la estructura de flujo (velocidad primaria y secundaria,
descompuestas por Rozovskii) en secciones coincidentes a los ápices de las curvas (S4, S5
y S6) y aquellas intermedias entre las mismas, coincidentes a las secciones relevadas en
C2013 (R4, R5, R6, R8, R9 y R10, ver Capítulo 5 para ubicación). Se aprecia en dichas
figuras como las corrientes secundarias varían en intensidad a lo largo de la sección,
incrementando cerca de la margen y reduciéndose en el point bar.
Figura 6. 11.- Estructura de flujo y concentraciones de sedimento suspendido obtenida de TELEMAC 3D.
De S1 a S4.
Ciertamente si se compara con la situación medida en la Figura 6.5 se puede indicar que las
diferencias principales rondan en la región del point bar y margen externa de la curva. La
condición medida muestra un flujo totalmente desordenado en el point bar, y cerca de la
margen externa muestra la celda en sentido opuesto (Figura 6.5, S6), situación que no es
observada en la corriente secundaria del modelo numérico. Recordar que para la modelación
se consideró márgenes lisas, sin rugosidad (formas de fondo) ni presencia de vegetación,
164
diferenciándose considerablemente de la condición natural, donde la generación de
turbulencia por estos factores produce un comportamiento más aleatorio (e.g. en el point bar)
o reducción de velocidades (sobre margen externa). Además, las Figura 6.13 y 6.14 muestran
el mapa de concentraciones sobre del modelo superpuestas nuevamente las velocidades
secundarias. Nótese un buen ajuste con los datos medidos en cuanto a la localización, los
valores del centro de máximas concentraciones y la intensidad de las corrientes secundarias
(comparar con Figura 6.7), cuestión que será validada en el siguiente punto.
Figura 6. 12.- Estructura de flujo y concentraciones de sedimento suspendido obtenida de TELEMAC 3D.
De S4 a S6.
En función de lo observado en Figura 6.4 y 6.5, la celda secundaria solo se presenta entre el
168
punto de quiebre del point bar y la margen externa de la curva. La ausencia de circulación
helicoidal sobre el point bar puede deberse a que, dada su baja intensidad (tal lo demuestra
los resultados de la modelación 3D), no sean medible con la resolución del equipo utilizado,
sumado a que estas se encuentran afectadas por la rugosidad del fondo y generación de
turbulencia, rompiendo cualquier estructura coherente que se forme en esta zona. Se sugiere
además una evaluación de la Ec. 6.12, la que podría producir errores en la estimación del
radio de curvatura sobre esta zona
La modelación 2D sin corrección y aplicando el método de Finnie et al. (1999) arrojan
similares resultados, distinguiéndose un similar comportamiento al medido en la transversal
pero con distribuciones más homogéneas sin el efecto de redistribución por la corriente
helicoidal.
6.5 Conclusiones
En el presente capítulo se analiza un fenómeno con una componente fuertemente
tridimensional, como lo es la estructura de flujo y su efecto en el transporte de sedimento a
lo largo de curvas de un gran río meandriforme. Para ello se presenta una descripción del
fenómeno utilizando datos medidos en campo con una alta resolución espacial y temporal
mediante la tecnología acústica y se los compara con la aplicación de diferentes modelos
(2D y 3D) y teniendo en cuenta (para el caso del modelo 2D) diferentes criterios de
corrección, para considerar la estructura helicoidal del flujo en curvas y ponderar la
distribución no homogénea en la vertical de la distribución de sedimentos.
Para responder con los objetivos, se implementa el modelo numérico TELEMAC 2D y 3D
acoplado a SISYPHE.
Los datos de campo establecen un claro efecto del movimiento helicoidal en la redistribución
de los sedimentos suspendidos, el cual produce un flujo sólido neto hacia el point bar de las
curvas. Para un tramo con sucesivas curvas, este efecto produce que el núcleo de sedimento
transportado muestre un comportamiento gradual, y sobre el centro del cauce, que el de las
velocidades, las cuales varían bruscamente su entre curvas. Este hecho es producto de que
la transferencia de caudal líquido de margen interna a externa se produce más fuertemente
por la capa superior del flujo (donde se presentan las mayores velocidades), la inferior está
afectada al movimiento helicoidal que, dado que aquí se presentan las máximas
concentraciones, transfiere sedimento en dirección contraria.
Respecto a la modelación 2D, el método propuesto por Petkovsek (2015) reproduce
adecuadamente la posición y magnitud del núcleo de máximas concentraciones, pero con
sobrestimaciones en el point bar y comportamiento erróneos en algunos casos (por ejemplo
169
en sección S4 y S5). Es de destacar que dicho método, considera un balance del flujo para
cada vertical (tal lo establecido por Rozovskii), sin considerar el flujo transversal hacia
margen externa en curvas producto de la transferencia de caudales hacia la misma (flujo ☎
descripto por Yalin, 1992). De todas maneras, los resultados se ajustan mejor sin considerar
ninguna corrección o bien aquella presentada por Finnie et al. (1999), a un costo
computacional mucho menor al requerido para un modelo 3D. En cuanto a este último, se
destaca un comportamiento/tendencia similar al medido en la distribución en la transversal
de valores medios en la vertical, indicando una correcta representación de los fenómenos
hidráulicos y sedimentológicos. Mayores comprobaciones deben realizarse para calibrar los
valores de concentración obtenidos en TELEMAC 3D, los cuales presentaron una
subestimación de hasta 70% respecto lo medido. Esta cuestión será analizada como
continuación a la presente tesis.
170
CAPÍTULO 7: Conclusiones generales
La presente tesis realiza una descripción detallada y análisis de los procesos morfológicos,
hidráulicos y sedimentológicos que se producen en un cauce secundario meandriforme
(CSM) del sistema del río Paraná (río Colastiné), abarcando tanto la zona de su embocadura
como su desarrollo y evolución hacia aguas abajo. Este complejo sistema le da características
particulares que no han sido estudiadas hasta el momento y, por lo tanto, la presente
investigación produce un significativo avance en el conocimiento de los procesos
gobernantes. Entre las características distintivas con otros sistemas menores, se destaca: gran
relación entre el ancho y la profundidad, complejas configuraciones en planta, múltiples
bifurcaciones del flujo, interacción con la vegetación y el tamaño del sistema que, dado la
dificultad y falta de metodologías y herramientas para cuantificar las variables de interés, ha
impedido el avance del conocimiento en el comportamiento de estos grandes sistemas.
Para dar respuesta a los objetivos e hipótesis planteadas, la investigación se llevó a cabo
mediante una integración de: i) datos detallados relevados en campo, ii) códigos
computacionales desarrollados a fin de procesar el gran volumen de las variables medidas y
iii) modelos numéricos bi y tridimensionales
A continuación se sintetizan las conclusiones más relevantes, agrupadas según los objetivos
e hipótesis planteadas. Para finalizar, se plantean las líneas de investigación que se
consideran necesarias de desarrollo futuro a la presente tesis.
172
por cambios en la división de caudales. En este sentido, se produjo una disminución del
caudal relativo en el brazo derecho de la bifurcación 1, aumentando el ingreso sobre el brazo
izquierdo. Este cambio se produjo a pesar de la desfavorable configuración en planta, en la
cual el flujo debe realizar un cambio en su dirección de aproximadamente 90°. Sin embargo,
a pesar de los cambios hidráulicos y morfológicos, el río Colastiné mantuvo el ingreso de
caudales (capacidad de captura de caudales líquidos al cauce principal) (~10% del caudal
que ingresa en la sección Cerrito).
Se destaca además que en el tramo comprendido entre la embocadura anterior y la actual, la
morfología se estaría modificando e igualando a la del río Colastiné e impidiendo la
formación y/o avance de los bancos frente a la embocadura. Esto demostraría la capacidad
de reordenamiento morfológico producido por el Colastiné, la cual no solo involucra a su
propio cauce sino que también afecta al nodo de expansión/bifurcación del cauce principal
a fin de garantizar y/o mantener la propia capacidad de conducción (Hipótesis H1).
En cuanto a la estructura de flujo los cambios graduales en planta y del fondo del cauce no
generan estructuras coherentes significativas del flujo sobre las bifurcaciones analizadas, las
cuales podrían afectar la redistribución del sedimento. Tal es el caso del conocido efecto de
Bulle (1926), el cual sería despreciable en estos ambientes fluviales
Con el fin de tener una mejor comprensión de los procesos y cambios gobernantes en el área
de estudio, se calibró y validó el modelo numérico TELEMAC 2D hidrodinámico. Para ello
se llevaron a cabo 4 simulaciones bajo dos estados hidrométricos (alto y bajo) y, a su vez,
con la condición hipotética de ausencia del río Colastiné. Entre los resultados más relevantes
se encuentran:
i) la configuración en planta en bifurcación 1 produce efectos convectivos
significativos con un aumento en la partición de caudales sobre el brazo derecho,
los cuales se incrementan para aguas altas (mayor diferencia porcentual entre
brazos de bifurcación 1, comparada con el estado bajo), disminuyendo el caudal
en el brazo Zapata y generando una distribución de caudales homogénea entre
las secciones de la bifurcación 2 (secciones S14, S15 y S7). Sin embargo, dada
la división de caudales relevadas en 2009 (estado de bajante) y 2016 (aguas
medias), la perdida de la capacidad del brazo derecho fue más importante que el
aumento de caudales por efectos convectivos en 2016.
ii) Efecto de la presencia, o no, del Colastiné sobre todo el nodo modificando no
solo la distribución de caudales inmediatamente aguas arriba (bifurcación 2), sino
también en la bifurcación 1 (Tabla 4.6) (Hipótesis H1).
173
iii) Fenómeno de formación de los bancos frente a embocadura y efecto de los
niveles medios/ bajos en su recrecimiento. Bajo la condición hidrométrica de
aguas bajas se genera una zona de disminución de velocidades y unión de los
flujos provenientes del brazo derecho y central, como se observa en la Figura
4.15. Este fenómeno sería uno de los encargados de depositar el material
transportado por fondo y suspendido sobre el banco 2 (Figura 4.6) lo cual es
corroborado con las distribución granulométrica de las capas superiores del
banco, en donde se presenta una similitud con las características del sedimento
transportado en suspensión (Latosinski et al., 2014; Lopez Weibel et al., 2015).
174
Por su parte el comportamiento del flujo medio en el tramo desarrolla una aceleración en la
zona entre ápices y una desaceleración y concentración del flujo sobre las curvas, donde se
observa un aumento del ancho de la sección. Este comportamiento genera una fuerte
transferencia transversal de caudales (a través del flujo tipo ✁) concentrando los mayores
caudales específicos sobre la margen externa. En otras palabras, sobre la curva se concentra
un ~80% del caudal líquido en una región cercana al 40% del ancho.
Esta morfología y características del flujo sobre las curvas, las cuales se diferencian con los
cauces de menor escala, genera una concentración de la estructura tridimensional del flujo
(movimiento helicoidal) limitada al ancho del thalweg. Estas celdas de circulación
secundarias, que inicia su desarrollo en la zona cercana al cambio brusco del thalweg antes
descripto, aguas arriba del ápice de la curva. Luego reduce su ancho y a la vez incrementa
su intensidad sobre la sección del ápice hasta localizarse en la región del thalweg (Figura
5.14). Dicha celda se mantiene hacia aguas abajo, perdiendo intensidad, hasta el inicio de la
siguiente curva. La ausencia del movimiento helicoidal (flujo tipo ☎ sobre el point bar
indicaría la reducida transferencia de sedimento desde la zona de máximas velocidades y
profundidades hacia la margen interna de la curva, tal fue observado por numerosos trabajos
previos (Dietrich, 1987). Por el contrario, se sugiere que el mecanismo de recrecimiento del
point bar es por acreción vertical producto de la desaceleración del flujo sobre esta zona, lo
que explica su configuración plana y el menor avance de la margen interna con respecto a la
externa, produciendo así un incremento del ancho del cauce en esta zona (Hipótesis H2).
Otra particularidad hallada en este tipo de grandes cauces meandriformes es la no correlación
entre los núcleos de máxima velocidad que divaga de margen a margen rápidamente de
acuerdo a los cambios de posición del thalweg, mientras que el de sedimento suspendido se
mantiene en forma concentrada en el centro del cauce, moviéndose transversalmente en
forma mucho más gradual que el flujo a lo largo de las curvas. Este fenómeno se debe al
efecto de la presencia de corrientes secundarias. El flujo tipo ✁ (con mayores velocidades
cerca de superficie) afecta levemente al sedimento, el cual es transportado mayormente cerca
del fondo. Por el contrario, el flujo helicoidal (tipo ✄), distinguido solo en la región del
thalweg, tiende a desplazar el sedimento suspendido particularmente sobre la zona de fondo
(máximas concentraciones) hacia el límite interno de las celdas secundarias observadas y,
por lo tanto, manteniendo la posición de los núcleos de máximas concentraciones sobre el
centro del cauce. Por último, en los tramos intermedios entre curvas, no se detectaron
grandes desplazamientos debido a la reducción de las intensidades de las corrientes
secundarias actuantes.
175
Respecto al caudal sólido medido desde la embocadura se distingue un fenómeno de
resuspensión para todas las campañas relevadas, en contraposición a un decrecimiento del
caudal líquido debido a la condición de desborde. Este aumento del transporte sólido se
encuentra relacionado con el incremento de la curvatura hacia aguas abajo, la cual produce
aumentos de flujo secundarios y aceleración del flujo entre curvas.
La presencia de vegetación sobre la planicie aluvial genera condiciones particulares en las
márgenes del cauce, específicamente sobre las márgenes externas de curvas en donde se
producen los mayores procesos de erosión (Hipótesis H2). Aquí, la vegetación con mayor
masa radicular (arboles de sauces en su mayoría) generan patrones de erosión irregular en
las márgenes. Además, estos caen constantemente sobre en cauce permaneciendo por
períodos prolongados hasta su descomposición o hasta que la capacidad de la corriente los
pueda arrastrar. Ambos hechos, genera una zona con importantes efectos de rugosidad en el
flujo de alrededor de 50 m de ancho generando variaciones en el flujo, tanto en magnitud
como dirección de la velocidad (Figura 5.16). Si bien la metodología aquí aplicada no
permite el cálculo de variables que nos dejen inferir de manera directa los parámetros
turbulentos, se destaca el comportamiento independiente de estas estructuras con respecto al
flujo helicoidal generado inmediatamente en la zona del thalweg.
Para finalizar, en Capítulo 6 se analiza la interacción del fenómeno tridimensional en las
curvas analizadas y el transporte de sedimento en suspensión y se evalúan diferentes
alternativas numéricas para modelar dicho fenómeno. Para ello se utilizan los datos medidos
en campo y se los compara con la aplicación de diferentes modelos (2D y 3D) y teniendo en
cuenta (para el caso del modelo 2D) diferentes criterios de corrección para considerar la
estructura helicoidal del flujo en curvas y ponderar la distribución no homogénea en la
vertical de la distribución de sedimentos.
Respecto a la modelación 2D, el método propuesto por Petkovsek (2015) reproduce
adecuadamente la posición y magnitud del núcleo de máximas concentraciones, pero con
sobrestimaciones en el point bar y comportamiento erróneos en algunos casos (por ejemplo
en sección S4 y S5). Es de destacar que dicho método, considera un balance del flujo para
cada vertical (tal lo establecido por Rososvkii, 1957), sin considerar el flujo transversal hacia
margen externa en curvas producto de la transferencia de caudales hacia la misma. De todas
maneras, los resultados se ajustan de mejor manera que sin considerar ninguna corrección o
bien aquel presentado por Finnie et al. (1999), a un costo computacional mucho menor al
requerido por los modelos 3D (Hipótesis H3). En cuanto a este último, se destaca un
comportamiento/tendencia similar al medido en la distribución en la transversal de valores
medios en la vertical, indicando una correcta representación de los fenómenos hidráulicos y
176
sedimentológicos. Mayores comprobaciones deben realizarse para calibrar los valores de
concentración obtenidos en TELEMAC 3D, los cuales presentaron una subestimación de
hasta 70% en la vertical, respecto lo medido.
177
Lista de símbolos
178
gssij s : transporte de arenas en la celda de la zona no medida de superficie
H: profundidad
Hcol: altura del río Colastiné en estación RN 168
Hd : altura de duna
Hpp: altura río Paraná estación Puerto Paraná
I: intensidad de potencia recibida
I0 : intensidad de potencia emitida
Ibn : nivel de ruido de fondo o enmascaramiento
Isd : señal producto de las partículas suspendidas
Iref : intensidad de referencia arbitraria
Ks: coeficiente dependiente de las características de la partícula
KT: constante global
kc: factor de conversión de unidades internas del ADCP
ks: rugosidad de fondo
k: número de onda acústica
kp: producto entre radio de partícula y k
L: longitud transmitida
Lr: distancia recorrida
Ms : masa total de los sedimentos en suspensión por unidad de volumen
nb : es el número de partículas por unidad de volumen
Nr: número de Rouse
Ne: número de elementos de malla triangular
p: presión
patm: presión atmosférica
pd : presión dinámica
Pt: potencia transmitida
Q: caudal líquido
Qb: transporte de fondo
Qbf: caudal de desborde
Qmód: módulo de caudal
Qmáx: caudal máximo
Qmin : caudal mínimo
R: radio de curvatura
rm: radio medio de esfera
179
RL: intensidad de la señal registrada (nivel de reverberancia)
Rt : distancia de transductor
S: pendiente superficial
Sc : corrección de la intensidad de la señal de retorno
Sh : fuente o sumidero de fluido
Sv : intensidad de retorno por unidad de volumen
Sx : fuente o sumidero en dirección x
Sy : fuente o sumidero en dirección y
Sz : fuente o sumidero en dirección z
ST : señal corregida
STr: fuente o sumidero de trazador
s: densidad relativa
T: trazador pasivo o activo (en unidades de trazador)
Tt : temperatura del agua
t: tiempo
TC: corriente transmitida
TV: voltaje transmitido
Uadv: velocidad advectiva en dirección x
u: componente de velocidad en coordenadas x
u* : velocidad de corte
up : velocidad primaria (normal al plano secundario)
us : velocidad secundaria
ur1: velocidad en plano 'r cercana a superficie
ur2: velocidad en plano r cercana al fondo
Vadv: velocidad advectiva en dirección y
v: componente de velocidad en coordenadas y
w: componente de velocidad en coordenadas z
ws: velocidad de caída de la partícula
x: coordenada del sistema cartesiano x
y: coordenada del sistema cartesiano y
z: coordenada del sistema cartesiano z
Zs : cota de superficie de agua (sistema de referencia arbitrario)
Zf : cota de fondo (sistema de referencia arbitrario)
✄w: coeficiente de absorción del fluido
✄s : coeficiente de atenuación del sedimento
180
✁: sinuosidad
✁g : desvío geométrico de la distribución granulométrica
✁✁ largo de duna
✁m : distancia entre nodos de malla
✁t: paso temporal
✂: área del dominio computacional
✂ ': parámetro de Shields
vf,: coeficiente de difusión turbulenta del flujo
vT : coeficiente de difusión turbulenta del trazador
0: densidad de referencia
✁ : delta de densidad
✄ c
: tensión de corte crítica
181
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