INTRODUCCION A LA HIDRAULICA FLUVIAL Arturo Rocha INTRODUCCION A LA HIDRAULICA FLUVIAL UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Primera Edicin Noviembre 1998 Facultad de Ingeniera Civil Universidad Nacional de Ingeniera Av. Tpac Amaru 210 Rmac Telefax 4819845 DerechosReservados Prohibidalareproduccintotalo parcialdeestelibroporcualquier medio sinpermiso expreso del autor Impreso en el Per PRESENTACION LaFacultaddeIngenieraCivildelaUniversidadNacionalde Ingeniera se complace en presentar ellibro titulado Introduccin alaHidrulicaFluvial,elcualconstituyeunvaliosoaporteal desarrollodelaingenieraenelpas.Estapublicacinserealiza dentrodelprogramadepublicacionestcnicasdelafacultad,la cual viene publicando libros en los diferentes campos de la ingeniera civily cuyos autores son profesores de este centro de estudios. ElDr.ARTUROROCHAFELICES,autordellibro,profesor Emrito de la Universidad Nacional de Ingeniera, es un profesional degranprestigio,conunaampliaexperienciaenelcampodela ingeniera hidrulica, autor de ms de 50 publicaciones sobre temas hidrulicos entre ellas Transporte de Sedimentos Aplicada al Diseo deEstructurasHidrulicas,RecursosHidrulicos,Aguapara Lima en el Siglo XXI. Lacaractersticafundamentaldelaproduccinbibliogrficadel autorson:claridadenellenguaje,estructuracindidcticadela obra,clarosobjetivosysobretodo,aplicacionesprcticasmuy precisas a la realidadnacional. Este libro ser de suma utilidad para el Ingeniero Hidrulico, dada la diversa gama de regmenes fluviales que se encuentran en el Per, donde la mayora de sus ros son jvenes faltando an por desarrollar muchos proyectos de ingeniera hidrulica. La Facultad de Ingeniera Civil agradece al Dr. Arturo Rocha Felices porsuaporte,alhacerrealidadlapublicacindeesteexcelente libro. Ing. Roberto Morales Morales Decano de la Facultad de Ingeniera Civil UNI v PROLOGO Laliteraturatcnicaennuestropasesescasa,yenparticular entemascomoeltratadoenestapublicacinIntroduccina la Hidrulica Fluvial que viene a llenar un gran vaco. ArturoRochaconsucapacidaddidctica,noslonostransmite aspectosdesdeelpuntoterico,sinoquenosilustraconsu experiencia vivida en el que hacer de los proyectos hidrulicos y nos da recomendaciones que los lectores sabrn apreciar y aplicar. EnelCaptulo1Introduccin,nosinformasobreloque representalaescorrentaanivelmundial,yenparticularenel Per,ynosinvocaalacomprensindelaimportanciadesu correctomanejoyalanecesariaparticipacindelaingeniera para su racional y econmica utilizacin. Paracompenetrarnosconeltemadescribelosefectosdelas obras hidrulicas en las condiciones naturales de la escorrenta de los ros y nos presenta argumentos que nos deben conducir aserconscientesdelanecesidadquetenemosdedefendernos contrasusefectos,ascomodeprotegeraloscursosdeagua contralaagresinhumana.Estosecomplementaconelejemplo delarelacinro-ciudad,yenparticulardelroRmacconla ciudaddeLima,brindndonossuaporte,atravsdesus comentarios para lograr un mejor manejo de los recursos. En el Captulo 2, trata el tema Erosin de Cuencas con gran simplezayclaridadydescribelosefectosqueladegradacin decuencaspuedeintroducirenlascondicionesoriginalesde escorrenta.Instaatomaraccionescorrectivasenloscasos generadosporelhombreolanaturaleza,queconduzcana detener o revertir los mismos. vii EnelCaptulo3MovilidadFluvial,luegodelasdefiniciones, entraaladescripcindeestefenmenobajolasdiversas condiciones que se presentan en la naturaleza, y a la clasificacin delosros.Completaelcaptuloconreferenciashistricas sobre fenmenos de inestabilidad en los ros del Per y del mundo, relacionndolos con estudios y obras en que particip como Ingeniero. EnlosCaptulos4a8presentaaspectostericosfundamentales para analizar el fenmeno de la mecnica fluvial como son: -La Hidrulica de los Conductos Abiertos. -El Estudio del Transporte de Sedimentos. -ElFondoMvil,conladescripcinclaradelosconceptos deiniciodelmovimiento,fasesdeltransporteslido, frmulasycondicionesquepuedenpresentarsedurante el desarrollo del fenmeno de arrastre de sedimentos. -ElGastoSlidodeFondo,conlametodologayfrmulas ms utilizadas. -LosconceptosbsicosdelGastoSlidoenSuspensin, incluyendorecomendacionesprcticasparalas mediciones,mediantemuestreossistemticosy secuenciales, producto de la invalorable experiencia del autor. QuierodestacarunaafirmacinqueArturoRochahaceenel Captulo7yquetodoslosIngenierosdebemostenersiempre presente: las frmulas no son buenas ni malas, el bueno o el malo es el Ingeniero que las usa . En el Captulo 9 Morfolgica Fluvial, destaca su recomendacin sobre la necesidad del Ingeniero de tomar conciencia de lo que va a hacer o de lo que hace, es decir que conozca con anticipacin la reaccindelrocontralaobraqueejecuta,enlasdiversas condiciones que se podran presentar durante la vida til del proyecto, complementando el captulo con definiciones y principios bsicos, a ser tomados en cuenta por los Ingenieros en sus diseos y obras. viii EnelCaptulo10ErosindeCaucesAluvialesyenel Captulo 11SedimentacindeEmbalses,presentalamecnica deestosfenmenosypresentaejemplosprcticosrelacionados con obras realizadas en el Per, fruto de su experiencia personal, que considero los lectores sabrn apreciar y valorar. FinalmenteenelCaptulo12ModelosFluviales,presentalos aspectostericosenlosquesebasalarepresentacinaescala reducidadelosfenmenosquepuedenoriginarseenunropor causadelflujonaturaloporlaejecucindeobras.Considero queelautordeestepuntoproporcionaloselementossuficientes paracrearconciencia,entrelosprofesionalesqueintervienen enlasactividadesrelacionadasaltema,sobrelaventajaque representa la ejecucin de un modelo hidrulico para la correcta y eficiente ejecucin de los estudios y obras. Enresumenycomosealaliniciodelprlogo,ArturoRocha noslollenaunvacoenlainformacinbibliogrfica,sinoque enriquecenuestrosconocimientosconsugenerosoaporte, productodesuexperienciaenlosmayoresproyectosdela Ingeniera Hidrulica del Per y del mundo. Esteesfuerzoyentregaconsiderosercomprendidoporlos colegasquetendrnlaoportunidaddeleerestapublicacin,a nombredeloscualesdejoconstanciademisfelicitacionesy deseosparaquecontineilustrndonosconsusconocimientos atravsdeestostrabajos,quesilugaradudaspermitirnun mejor desarrollo de la Ingeniera Hidrulica Peruana. AlaFacultaddeIngenieraCivildelaUniversidadNacional deIngeniera,mifelicitacinporesteesfuerzoeditorialque tengolaseguridadserdebidamenteapreciadoporloscolegas y estudiantes de la especialidad. Ing. Miguel Suazo G. Presidente del Comit Peruano de Grandes Presas ix PALABRAS PRELIMINARES DEL AUTOR Lamotivacindeestelibrotienequebuscarseenmiantiguo carioydedicacinalestudiodelosros.Lanecesidadde escribirlo y publicarlo nace del deseo de compartir mis vivencias e inquietudes en el apasionante mundo de los ros. Lahistoriadelprogresodelahumanidadgiraentornoal aprovechamientodeloscursosdeagua.Enconsecuencia,el conocimientodelosrosresultaserfundamentalparalograrel desarrolloeconmicoyelbienestardelasociedad.Desdelos msremotosorgenes,laingenierahatenidounpapel preponderante en esta tarea. EnelPer,queeslainspiracindeestelibro,losros constituyenunretoinagotablequeelingenierodebeafrontar cadada.Ennuestropasseencuentrael4,6%delosrecursos hidrulicossuperficialesdenuestroplaneta.Sinembargo,la desigualdistribucinespacialytemporaldelrecursocrea enormesproblemasparasuaprovechamientoycontrol.Alo anteriordebeaadirselapresenciacadavezmsfrecuentedel Fenmeno de El Nio. Todo esto dentro de uncreciente proceso deerosindecuencasquetraeconsigoquenuestrosrostengan untransporteslidointenso,loquedificultayencarece enormemente su aprovechamiento. Losorgenesdeestelibrotendrnqueubicarseenlasprimeras experienciasdelaboratorioconmodeloshidrulicosdecauce mvil,queempezaronenelPerenlosaossesentaconla puestaenmarchadelLaboratorioNacionaldeHidrulica.De entoncesac,eltemadelosroshaconstituidoelcentrodemi atencin profesionaly acadmica. xi Estelibroesunaintroduccinenelsentidoquetieneesta palabra,depreparacinparallegaraunfin.Pero,introduccin significatambinentradaytratofamiliarentimoconalguien. Ellibropretendeserunapreparacin,yentalsentidoes eminentementepropedutico.Pretendetambinqueellector sefamiliariceconelcomplejo,yavecesdesconcertante, comportamiento fluvial. Hasidodifcilelegirdentrodeladiversidaddetemasque ofrecelaHidrulicaFluvial,aqullosquepodranresultarde mayorinters.Haberelegidoimplicnecesariamentehaber dejadodeladomuchostemasquehubierapodidoincluir. Considero,sinembargo,quehasidonecesarioincidirenlos temasfundamentalesdadosucarcterformativo.Entalsentido, estelibronoesunmanualdediseo.Aspiramsbienaseruna ayudaparaquiendeseeiniciarseenelapasionantetemadel estudiodelosros,seaunestudiantedeantegradoopostgrado, deingenieracivil,agrcola,geolgicaosanitaria,sinexcluir porciertoaotrasespecialidades como la ingeniera geogrfica y la ambientalista. Ellibroestinspiradoybasadoenlosproblemasquese presentanenlosrosperuanos,aunquenoserestringeaellos, puesheconsideradoenriquecedorincluirdatosycasos provenientesdeotrospases,vinculadosatemasquehe conocido por alguna circunstancia. Porgrandequeseaeltrabajodelautor,lapublicacindeun libroessiempreunesfuerzocolectivo.Tengoqueagradecera todosaqullosquealolargodelasltimasdcadasme permitieronintervenirensusproblemas,amiscolegasyamis amigos que me estimularon para culminar la tarea, a mis alumnos dediversaspocasygeneracionesenquienessiemprepens al escribir esta Introduccin a la Hidrulica Fluvial. Estelibrohavenidosiendoescritoenlosltimosaos.Sihoy sale a la luz es por la decisin de nuestro Decano de la Facultadxii deIngenieraCivil,ingenieroRobertoMoralesMorales,quien desdeelprimermomentoacogiconentusiasmoyfirmezala idea de su publicacin, y ha escrito las palabras de presentacin. ElingenieroEdgarRodrguezZubiate,JefedelDepartamento deHidrulicaeHidrologaycoordinadordeestapublicacin, tuvounadecisivaparticipacinparaqueellacontineadelante. Suestmuloresultserfundamentalparamitrabajo.Aellosles expresomiagradecimiento,puessinsuparticipacinestelibro no habra sido posible. ElbachillerdeIngenieraCivilMarlonGalaGarcatuvoasu cargolacomposicindeltexto,losdibujos,ladiagramacin generalylapreparacindelaedicinensupresentacinfinal, loquehizoconespecialdedicacinyeficiencia,queagradezco mucho. MiamigoycolegaelingenieroMiguelSuazo,presidentedel ComitPeruanodeGrandesPresas,hatenidolabondadde escribirelgenerosoprlogoqueprecedeestelibroporloque le expreso mi especial reconocimiento. A.R.F xiii Enhomenajealos122aosdela FacultaddeIngenieraCivildela UniversidadNacionaldeIngeniera formando profesionales al servicio del Per 1876 - 1998 xv CONTENIDO Presentacin v Prlogo vii Palabras Preliminares del Autorxi Indice de Figuras xx Indice de Cuadrosxxiii Lista de Smbolosxxiv Captulo 1Introduccin al Estudio de los Ros 1.1La Escorrenta Mundial 1 1.2El Aumento de las Demandas de Agua 7 1.3Aproximacin a la Hidrulica Fluvial 10 1.4Relacin de la Hidrulica Fluvial con otras Disciplinas 11 1.5Los Ros del Per. Panorama de su Aprovechamiento y Control 12 1.6El Binomio Ro-Ciudad 14 Captulo 2Erosin de Cuencas 2.1Conceptos Fundamentales de Geomorfologa 19 2.2Procesos y Agentes Geomrficos. Agradacin y Degradacin 23 2.3Erosin de Cuencas. Erosin Especfica 24 2.4Tipos de Erosin29 2.5El viento y los Glaciales como Agentes Erosivos 33 2.6Prevencin de la Erosin 34 2.7reas Crticas35 2.8La Erosin en el Per 37 xvii Captulo 3Movilidad Fluvial 3.1Definiciones 43 3.2Movilidad Fluvial 48 3.3Introduccin a la Clasificacin de los Ros 57 3.4Ejemplos de Inestabilidad Fluvial 58 3.5Clasificacin de los ros por su Edad 61 3.6Ro Chira: Aspectos de Inestabilidad Fluvial 62 3.7Ro Tumbes: Aspectos de Inestabilidad Fluvial 64 3.8Comportamiento del Ro Siguas: Simulacin en Modelo Hidrulico 67 Captulo 4Hidrulica de los Conductos Abiertos 4.1Conductos Abiertos69 4.2Fuerza Tractiva70 4.3Naturaleza Hidrulica del Contorno72 4.4Coeficientes de Resistencia74 4.5Ecuaciones de Distribucin de Velocidades76 Captulo 5Introduccin al Estudio del Transporte de Sedimentos 5.1Modalidades del Transporte Slido Fluvial79 5.2Fuerza Tractiva Crtica85 5.3Interaccin Sedimento-Estructura86 5.4Propiedades Fsicas de los Slidos89 5.4.1Tamao y Forma90 5.4.2Composicin Mineralgica96 5.4.3Peso Especfico97 5.4.4Velocidad de Cada98 5.5Variabilidad del Transporte Slido 109 Captulo 6El Fondo Mvil 6.1El Concepto de Iniciacin del Movimiento 115 6.2Criterio de SHIELDS 119 6.3Otras Frmulas y Criterios de Iniciacin del Movimiento 125 6.4Fases del Transporte Slido 133 6.5Macro y Microrrugosidad. Descomposicin del Coeficiente de Resistencia 137 6.6Acorazamiento del Lecho Fluvial 138 xviii Captulo 7Gasto Slido de Fondo 7.1Problemtica General 141 7.2Metodologa Bsica 142 7.3Metodologa de Clculo 145 7.4Funcin Transporte 146 7.5Frmula de DU BOYS 147 7.6Frmula de SCHOKLITSCH 150 7.7Frmula de MEYER-PETER y MUELLER 152 7.8Frmula de EINSTEIN 160 7.9Frmula de FRIJLINK 162 Captulo 8Gasto Slido en Suspensin 8.1Caractersticas de la Suspensin 165 8.2Distribucin Vertical de Concentraciones 167 8.3Gasto Slido en Suspensin 171 8.4Distribucin Vertical del Gasto Slido en Suspensin 173 8.5Mediciones 173 Captulo 9Morfologa Fluvial 9.1Introduccin a la Fluviomorfologa 179 9.2Perfil Longitudinal 182 9.3Estado de Equilibrio 185 9.4Clasificacin Morfolgica de los Ros 187 9.5Cursos de Agua en Rgimen 190 9.6Teora del Rgimen 191 9.7Mtodo de BLENCH 193 9.8Abanicos Fluviales 198 9.9Descarga Dominante 199 Captulo 10Erosin de Cauces Fluviales 10.1El Fenmeno de la Erosin 201 10.2Origen de la Erosin de los Cauces Fluviales 203 10.3Relacin de LANE 206 10.4Degradacin del Cauce Aguas Abajo de una Presa 208 10.5Proteccin con Espigones 212 10.6Erosin en Pilares de Puentes 218 xix Captulo 11Sedimentacin de Embalses 11.1Introduccin 223 11.2Factores para la Determinacin del Volumen Muerto 229 11.3Consideraciones sobre el Aporte de Slidos 230 11.4Problemas en la Apreciacin de la Eficiencia de Retencin 231 11.5El Mecanismo de la Decantacin y su Desarrollo en el Tiempo 234 11.6Peso Especfico de los Slidos Sedimentados 235 11.7Consecuencia de la Prdida del Volumen til de los Embalses 238 11.8Mtodos para Aumentar la Vida del Embalse 241 11.9Breve Examen de Algunos Casos de Colmatacin Acelerada 242 11.10Comentarios sobre el Problema 245 Captulo 12Modelos Fluviales 12.1Introduccin 247 12.2El Criterio de Similitud 250 12.3Modelos Fluviales de Lecho Mvil 255 12.4Necesidad de un Modelo Fsico 257 12.5Confiabilidad de un Modelo Fsico 258 Indice de Temas261 Referencias Bibliogrficas265 Indice de Figuras Figura 2.1Variacin de Pendientes durante la Erosin 25 Figura 2.2Cuenca del Ro Amarillo 30 Figura 2.3Cuenca del Ro Santo Domingo 32 Figura 3.1Movilidad Fluvial 49 Figura 3.2Flujo en Curva 51 Figura 3.3Meandros del Ro Mississippi 51 Figura 3.4Secciones Caractersticas de un Ro con Meandros 52 xx Figura 3.5Evolucin de un Meandro 53 Figura 3.6Cambios Fluviales producidos por un Barraje 56 Figura 3.7Variacin del Cauce del Ro Mississippi 59 Figura 3.8Variacin del Recorrido del Ro Piura 60 Figura 3.9Variacin del Recorrido del Ro Tumbes 66 Figura 5.1Modos de Transporte 81 Figura 5.2Distribucin Vertical de Velocidades Concentraciones y Fuerza de Corte 82 Figura 5.3Curva de Distribucin Granulomtrica 92 Figura 5.4Definicin de Dimetro Efectivo 93 Figura 5.5Coeficiente de Arrastre CD 103 Figura 5.6Velocidad de Cada de Esferas de Cuarzo 106 Figura 5.7Grfico de YALIN para el Clculo de la Velocidad de Cada 107 Figura 5.8Grfico de SCHULZ 108 Figura 5.9Relaciones Gasto Lquido-Gasto Slido 114 Figura 6.1Iniciacin del Movimiento 118 Figura 6.2Diagrama de SHIELDS 121 Figura 6.3Diagrama de YALIN 125 Figura 6.4Diagrama de PETERSON 126 Figura 6.5Diagrama de LANE 128 Figura 6.6Fases del Trasporte Slido 134 Figura 6.7Determinacin de las Fases del Transporte 136 Figura 6.8Acorazamiento del Lecho 138 Figura 6.9Composicin Granulomtrica del Lecho Antes y Despus del Acorazamiento 139 Figura 7.1Funcin Transporte 146 Figura 7.2Curva de Duracin de Caudales Slidos 148 Figura 7.3Grfico para la Ecuacin de DU BOYS 149 Figura 7.4Ecuaciones de MEYER-PETER 154 Figura 7.5Coeficiente de Rizos 157 Figura 7.6Ecuacin Final de MEYER-PETER 158 Figura 7.7Ecuacin de EINSTEIN 161 xxi Figura 7.8Comparacin de las Frmulas de KALINSKE EINSTEIN, MEYER-PETER y FRIJLINK 163 Figura 8.1Distribucin Vertical de Concentraciones 169 Figura 8.2Distribucin Vertical de Concentraciones en Funcin del Dimetro de las Partculas 170 Figura 8.3Esquema de Definicin para el Clculo del Gasto Slido en Suspensin 172 Figura 8.4Distribucin Proporcional del Gasto Slido en la Vertical 174 Figura 8.5Muestreador Cilndrico 176 Figura 9.1Esquematizacin del Perfil Longitudinal y Secciones Transversales Tpicas de un Ro 183 Figura 9.2Estado de Equilibrio 186 Figura 9.3Clasificacin Morfolgica de los Ros 188 Figura 9.4Criterio de LANE para distinguir entre Ros Mendricos y Entrelazados 189 Figura 9.5Abanico Fluvial 198 Figura 10.1Balanza de LANE 207 Figura 10.2Degradacin del Cauce Aguas Abajo de una Presa 209 Figura 10.3Disposicin Tpica de Espigones en un TramoenCurva 213 Figura 10.4Esquemas Tpicos de Espigones 214 Figura 10.5Relacin entre la Erosin Local y la ErosinGeneralizada 219 Figura 11.1Definicin de Trminos para un Embalse segn ICOLD 226 Figura 11.2Significado de los Trminos para un Embalse en Proceso de Sedimentacin 228 Figura 11.3Influencia de las Series Hidrolgicas 235 Figura 11.4Variacin del Volumen til con el Tiempo enFuncin del Avance de la Sedimentacin 239 Figura 11.5Consecuencias de la Disminucin del Volumen til 243 xxii ndice de Cuadros Cuadro1.1Distribucin Continental de la Escorrenta Mundial segn LIND 3 Cuadro1.2Distribucin Continental de la Escorrenta Mundial segn SHIKLOMANOV 4 Cuadro1.3Disponibilidad de Aguas Superficiales en Algunos Pases 5 Cuadro2.1Comparacin de Datos Bsicos de Algunos Ros 28 Cuadro2.2Erosin Especfica y Valores Caractersticos en Subcuencas del Ro Amarillo 36 Cuadro2.3Produccin de Sedimentos de la Cuenca Alta del Ro Santo Domingo segn GUEVARA y YAEZ 38 Cuadro2.4Origen y Relaciones de la Erosin 39 Cuadro5.1Clasificacin de Partculas de Acuerdo a la American Geophysical Union (A.G.U.) 91 Cuadro5.2Composicin Mineralgica 97 Cuadro5.3Volmenes Anuales de Slidos en Suspensindel Ro Santa 112 Cuadro5.4Relacin Porcentual del Transporte Mensualde Sedimentos del Ro Santa 113 Cuadro6.1Fuerza Tractiva Crtica en Funcin de la Concentracin 127 Cuadro6.2Esfuerzo Cortante Crtico en Funcin del Dimetro 130 Cuadro6.3Velocidad Media Crtica en Funcin del Dimetro 131 Cuadro6.4Velocidad Media Crtica 132 Cuadro 11.1Peso Especfico de Sedimentos Depositados en Embalses 137 xxiii Lista de Smbolos Principales AAmplitud de un meandro Area aLongitud mayor de una partcula aConstante A1, A2 Constantes BAncho bLongitud intermedia de una partcula B1, B2Constantes b, bConstantes CCoeficiente de CHEZY cConstante cMenor longitud de una partcula cConcentracin CDCoeficiente de arrastre (Drag) CaConcentracin a la distancia a del fondo chConcentracin a la distancia h del fondo cmaxConcentracin mxima DDimetro de un Pilar dDimetro de una partcula dmDimetro efectivo dnDimetro nominal dcDimetro de cribado dsDimetro de sedimentacin eEscala (de un modelo hidrulico) eParmetro en las ecuaciones de LACEY eLEscala de longitudes EErosin E.EErosin especfica FFuerza FNmero de Froude fCoeficiente de DARCY fParmetro en las ecuaciones de LACEY FbFactor dependiente de la naturaleza del lecho en la frmula de BLENCH xxiv F.F.Factor de forma FsFactor dependiente de la naturaleza de la mrgenes en la frmula de BLENCH F*crParmetro de SHIELDS gAceleracin de la gravedad hDistancia del fondo KCoeficiente de rugosidad de STRICKLER kRugosidad absoluta K, K1, K2Constantes KmCoeficiente de rugosidad de STRICKLER KrRugosidad debida al tamao de los granos del fondo KsRugosidad del lecho KwRugosidad de las paredes LLongitud LELongitud de empotramiento de un espign LMLongitud de un meandro lnLogaritmo neperiano logLogaritmo LTLongitud de trabajo de un espign nCoeficiente de rugosidad de KUTTER PPermetro QGasto qGasto especfico Qo Gasto crtico de iniciacin del movimiento qo Gasto crtico especfico de iniciacin del movimiento qs Parte del gasto slido (especfico) que determina el transporte slido de fondo R Radio hidrulico r Radio de curvatura Re Nmero de Reynolds Re* Nmero de Reynolds referido a la velocidad de corte y al dimetro de la partcula S Pendiente SE Separacin entre espigones T Temperatura t Tiempo xxv TF Gasto slido de fondoTS Gasto slido en suspensin TT Gasto slido totaltF Gasto slido de fondo especfico ts Gasto slido en suspensin especfico T"F Gasto slido de fondo pesado bajo agua t"F Gasto slido de fondo (especfico) pesado bajo agua y Tirante (calado) ys Profundidad de socavacin V Velocidad media Vc Velocidad crtica Vh Velocidad a la distancia h del fondo V* Velocidad de corte V Volumen WPesow Velocidad de cada de una partcula wt Velocidad terminal de cada de una partcula X Intensidad de transporte Y Intensidad de movimiento Z Nmero de ROUSE (Parmetro caracterstico de la suspensin) ngulo Coeficiente Peso especfico del material slido sumergido Espesor de la subcapa laminar pIntervalo en el eje de porcentaje Peso especfico del agua *Intensidad de transporte (EINSTEIN) sPeso especfico de los slidos "sPeso especfico de los slidos pesados bajo el agua Constante de KARMAN Densidad del agua sDensidad de una partcula slida cFuerza tractiva crtica hEsfuerzo de corte a la distancia h del fondo xxvi oEsfuerzo de corte sobre el fondo *cParmetro de SHIELDS (o )cFuerza tractiva crtica (o )cValor de c para el que las partculas entren en suspensin Coeficiente de rizos Viscosidad dinmica 10-3 mm Viscosidad cinemtica Parmetro de transporte (DU BOYS) *Intensidad de movimiento (EINSTEIN) xxvii Introduccin al Estudio de los Ros Captulo 11Introduccin al Estudio de los RosCaptulo 11.1 LaEscorrentaMundialLos ros forman parte del Ciclo Hidrolgico, que como sabemosconstituye un proceso que no tiene principio ni fin.Sehaestimadoquelaprecipitacintotalsobreloscontinentes es, en promedio, de 100 000 km3 porao,loqueequivale a 685 mm anuales. De esta enorme cantidad de agua unelevado porcentaje, el 65%, se evapora y regresa a la atmsfera.Delamasahdricarestante,unaparteseinfiltray,eventualmente, da lugar a la escorrenta subterrnea; otra,contribuye al mantenimiento de diversas formas de retencinsuperficial, y la mayor parte constituyela escorrentasuperficial,laqueencifrasredondasy como promedio plurianual es de35 000 km3 por ao.En consecuencia, los ros de la Tierra conducen hacialos maresyocanosunacantidadanual de agua equivalente a35000000000000m3.EstimacioneshechasporelU.S.Geological Survey fijan la escorrenta superficial en 1 170 400 m3/s,entantoquesegnelBalanceMundialefectuadoporlaArturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial2antigua Unin Sovitica, este valor sera de 1 154 200 m3/s.La escorrenta mundial ha sido cuantificada por variosautores,entreellosestnLINDHySHIKLOMANOV,cuyosresultados pueden verse en los Cuadros 1.1 y 1.2. LINDH encontrpara la escorrenta mundial un valor de 38 820 km3/ao,quepresenta distribuido en siete reas continentales del planeta. Sealaadems este autor la importante distincin entre la escorrentapersistente y la no persistente. Este concepto se origina en el hechode que la escorrenta es muy variable en el tiempo. Cuando secalcula un promedio plurianual hay aos con caudales muy altos,pero poco frecuentes, que contribuyen a levantar el promedio, sobretodo cuando la serie disponible no es muy larga. Ocurre tambinque hay pocas (das) del ao en que los caudales son notablementealtos, pero de muy poca duracin en el tiempo. De ac que slouna parte de la escorrenta mundial puede ser considerada comopersistente.Persistente es aquello que dura por largo tiempo. Slo el36 % de la escorrenta mundial resulta ser persistente, segn elestudio de LINDH. El 64 % es no persistente, eventual, espordico,lo que significa que sus posibilidades de aprovechamiento sonseguramente difciles y costosas. Sudamrica tiene un poco ms dela cuarta parte de la escorrenta mundial, pero slo el 38% espersistente.SHIKLOMANOV encuentra valores ms altos para laescorrenta mundial; adems incluye la Antrtida y llega as a46 768 km3 por ao.En el Cuadro 1.3 se presenta la disponibilidad de aguassuperficiales de algunos pases, incluyendo al Per. Obsrvese queel Per tiene casi el 5% de los recursos hidrulicos superficialesmundiales.Asimismo, la disponibilidad de agua por habitante del Peres una de las ms altas del mundo; escasi diez veces el promediomundial. En cambio China tiene slo 2 500 m3/hab/ao, valorbastante pequeo y que obliga a un uso y cuidado intensivo de susescasos recursos hidrulicos.Introduccin al Estudio de los RosCaptulo 13CUADRO 1.1DISTRIBUCION CONTINENTAL DE LA ESCORRENTIA MUNDIAL SEGUN LINDH Escorrenta km3/aoAfrica 4 225 1 905 2 320 45%Asia (sin la ex URSS) 9 544 2 900 6 644 30%Australia 1 965495 1 470 25%Europa (sin la ex URSS) 2 362 1 020 1 342 43%Norte Amrica 5 960 2 380 3 580 40%Sud Amrica 10 380 3 900 6 480 38%La ex-URSS 4 384 1 410 2 974 32%Total continentalsin regiones polares 38 82014 010 24 810 36% Caudal 1 230 974 m3/s444 254 m3/s786 720 m3/sNo Persistente PersistenteTotalREGIONEsc. PersistenteEsc. Totalx 100Arturo RochaIntroduccin a la Hidrulica Fluvial4CUADRO 1.2DISTRIBUCION CONTINENTAL DE LA ESCORRENTIA MUNDIAL SEGUN SHIKLOMANOVDescargaTerritorio Caudal Anual Porcentaje de la Superfcie Especficammkm3Escorrenta Total 103 km2l s-1 km-2Europa 306 3 2107 10 500 9,7Asia 332 14 41031 43 47510,5Africa 151 4 57010 30 120 4,8Amrica del Norte yCentral339 8 20017 24 200 10,7Amrica del Sur 661 11 76025 17 800 20,9Australia y Tasmania 4534817 683 1,4Oceana1 610 2 04041 267 51,1Antrtida 160 2 2305 13 977 5,1Total Mundial 31446 768 100149 022 10,0Caudal1 483 004 m3/sIntroduccin al Estudio de los RosCaptulo 15CUADRO 1.3DISPONIBILIDAD DE AGUAS SUPERFICIALES EN ALGUNOS PAISES Caudal anual medio a largo plazoPasSuperficie103 km2Poblacin1106km3Por Unidadde Superficie(103 m3/km2)Per Cpita(103 m3)Porcentaje(%)del CaudalMundialBrasilLa ex-URSSRepblica Popular ChinaCanadIndiaEstados Unidos de AmricaNoruegaLa ex-YugoslaviaFranciaFinlandiaTotal Mundial28 51222 274 9 5619 9763 2889 363 324 256 544 337134 8001302751 0242571823442355 54 6659 2304 7402 5502 4701 6801 940 405 256 183 110 44 5001 084 213 2672485112071 2501 000 336 326 33071172,5992,38,399113,4229,5 20,7 11 5,7 5,6 3,8 4,4 0,9 0,6 0,4 0,2Per+1 285 23 2 044 1 591 89 4,61 En 19832 Sin la Antrtida+ Datos incorporados por el autor (1998)Arturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial6Como puede observarse en los cuadros presentados, losvalores no coinciden plenamente. Esto se debe a varios factores ycircunstancias. De un lado, cada autor dispone de un conjunto dedatos que no es necesariamente igual al del otro. Cada autor tienesu propia metodologa para estimar valores faltantes y totales. Cadaautor trabaja con una serie de determinada longitud (aos deregistro que ha tenido disponible) y cada autor trabaja en una ciertapoca. Tambin debemos tener presente que no siempre coincidenlosobjetivosymetasdecadaevaluacin.Apesardelasconsideracionesanterioreslosvaloresencontradossonrazonablemente coincidentes y tiles para darnos una idea generalde la disponibilidady distribucin de los recursos hidrulicossuperficiales mundiales.La escorrenta es muy variable en el tiempo y en elespacio. Hay regiones del planeta donde la escasez de agua esnotable. Se denomina Zonas Aridas, etimolgicamente secas,aqullas en las que el agua es el factor limitante del desarrollo;el agua es, o debe ser, entonces, la variable que controla suplanificacin. La escorrenta es tambin variable en el tiempo.Hay periodos de abundancia y periodos de escasez. As son,pues, los caudales de los ros: muy variables en el tiempo y enel espacio.El valor del agua es incalculable, cmo ponerle precio?.El agua es un recurso natural insubstituible para el desarrollo de lospueblos. De ac que el Estado, que es la organizacin poltica deuna Nacin en un territorio determinado, proclame como suyos losrecursos hidrulicos de su territorio, sin los cuales la tierra no tendravalor.Para poder aprovechar y conservar un recurso es necesarioconocerlo. Una parte de esta tarea corresponde a la HidrulicaFluvial. Nuestros ros son recursos valiosos, son nuestra fuente devida. Corresponde a la ingeniera hacer que sea posible la utilizacinracional y econmica de los ros.El tema de este libro es, pues, el estudio de los ros desdeel punto de vista de su aprovechamiento y control con el fin decontribuir al bienestar de la Humanidad.Introduccin al Estudio de los Ros Captulo 171.2 ElAumentodelasDemandasdeAguaEl agua es un recurso escaso que tenemos que aprovechar del mejormodoposible.Lapoblacinmundialvienecreciendoagranvelocidad.EnlaEdaddePiedra,haceunos10000aos,lapoblacin mundial probablemente no pasaba de los cinco millones.Paraelao2 000 la poblacin mundial llegar a los 6 198 millones,y el ao 2 050 llegaremos a la enorme cifra de10 000 millones dehabitantes.En los ltimos 50 aos la poblacin del Per se ha triplicado.Segn el censo del 11 de Julio de 1993 la poblacin del Per era unpoco ms de 22 millones de habitantes.Una de las caractersticas del incremento de la poblacinmundial y nacional es el aumento de la poblacin urbana conrespecto a la rural. En el Per el 71% de la poblacin es urbana.Lima, capital de la Repblica, ha crecido enormemente; representacasi el 30 % de la poblacin nacional y tiene slo una proporcinpequesima de los recursos hidrulicos del pas.Esta circunstancia tiene grandes consecuencias desde elpunto de vista del aprovechamiento de los recursos hidrulicos engeneral y de los ros en particular.Hayquetenerencuenta,adems,lanaturalezaycomposicin de la demanda total de agua, pues si una reginrequiere riego, sus demandas totales sern mucho mayores queotra regin en la que los cultivos sean de secano, es decir, slo porlluvia (sin riego).En Espaa, por ejemplo, la escorrenta total, incluyendoun 20 % de aguas subterrneas, es de 110 km3 por ao, lo que dauna disponibilidad media de 2 683 m3/hab/ao. Este valor tieneque mirarse junto con el hecho de que Espaa tiene ms de 1 000grandes presas y 2 500 pequeos lagos y lagunas, lo que facilita elaprovechamiento del agua.En el Per tenemos en 1998 alrededor de 89 000 m3/hab/ao,una cifra altsima, la que, sin embargo, debe mirarse dentro de unagran distribucin espacial y variacin temporal. La costa, donde estms del 50% de la poblacin, slo tiene el 1,7% de los recursoshidrulicos superficiales del pas.Arturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial8El problema de la determinacin de las demandas y laasignacin de los recursos hidrulicos para satisfacerlas, no puedeindependizarse de la creciente escasez de agua a nivel planetario.Es decir, que la escasez tiene que llevarnos al uso racionalde lo existente, "El agua de que disponemos ennuestro planetaesalgopreciosoyquelassociedades actuales no sabenvalorar", ha afirmado el secretario general de la OrganizacinMeteorolgica Mundial de las Naciones Unidas (OMM). DichaOrganizacin ha llamado la atencin acerca del "derroche existentey mala utilizacin de este recurso vital" y ha manifestado quepronto tendremos que saber valorar el agua "ya que la escasez deagua no ser un problema aislado, sino general y repercutirenlosdistintossectoreseconmicos,especialmenteenlaagricultura"y"lacrisisqueseavecinasetraducirenunaumentodelosnivelesdepobreza,yenotroscasossedispararnlosndicesdecontaminacindelasaguascomoconsecuenciadelosvertidosdefertilizantesyproductosqumicos en los caudales fluviales".Vivimos en un mundo en el que la poblacin y sus demandasde agua vienen aumentando. Pero los recursos hidrulicos con quecontamosnoestnaumentando,sinoqueporelcontrarioestndisminuyendo, principalmente por la prdida de calidad del recurso.Las demandas de agua aumentan, no slo porque aumenta lapoblacin, sino porque aumenta el deseo de mejorar la calidad devida, lo que implica que cada ser humano tenga ms agua a sudisposicin.Una sociedad pobre, en un clima de condiciones duras, tienequehacersuagriculturaexclusivamentedesecano,esdecir,dependiendo en un alto grado de la irregularidad de las lluvias. Encambio una sociedad opulenta en un clima rido hace obras deirrigacin, regula la escorrenta y ejecuta otras acciones similaresque implicanconsumo de agua. Algo similar puede decirse conrespecto a la satisfaccinde las necesidades de agua de las ciudades.A medida que su potencialidad econmica es mayor, demandanms agua. As se tiene ciudades que consumen varios cientos delitros al da por habitante. El consumo de agua es una medida de lacalidad de vida alcanzada.Introduccin al Estudio de los Ros Captulo 19Pero las demandas son crecientes y la disponibilidad deagua es decreciente. As por ejemplo en los aos cincuenta, segnla Organizacin Meteorolgica Mundial (OMM), cada europeodispona anualmente de 5 900 m3 de agua dulce, para diversos usos.En cambio hacia el ao2000 slo dispondr de 4 100 m3. EnAmrica Latina se pasar para el periodo mencionado, de 105 000a 28 300 m3 por ao y por habitante. Algo similar ocurrir en losotros continentes.Laescasezdeaguaseagravadebidoalosproblemascreados por la contaminacin. La prdida de calidad del aguarestringe, encarece o impide su uso. El clculo racional de lasdemandas y el uso justificado del agua son, pues, un imperativo.ISRAELSEN ha afirmado, y debemos recordarlo, que "Ningnhombretienederechoamalgastarelaguaqueotrohombrenecesita" .Este aumento de las demandas de agua obliga a recurrir atodas las fuentes posibles. El continuo desarrollo de proyectos deingeniera para disponer de agua tuvo que empezar con los msfciles y ms econmicos. Nos toca ahora acometer los proyectosms costosos y ms difciles. Pero no todo puede resolverse por ellado de la oferta, tambin debemos actuar sobre la demanda. Tieneque haber una poltica de manejo de las demandas, compatible con ladisponibilidad de recursos econmicos e hidrulicos. Debe haber,pues, un uso racional del agua, en beneficio de las generacionespresentes y futuras. Debemos marchar hacia una gestin del agua.Todo esto implica un mejor uso de los recursos existentes.Hemos sealado en varias oportunidades que la disminucinde la cantidad de agua disponible se viene originando, no slo porel aumento de la poblacin y sus mayores demandas especficas,sino por la prdida de calidad del recurso. En 1980 el total mundialanual de aguas residuales era de 1 870 km3, de los cuales 308 km3se producan en Europa y 440 km3 en Estados Unidos. Hacia finalesdelsiglo XXeltotalmundialdeaguasresiduales ascender a2 300 km3 por ao.El aumento de las demandas mundiales de agua nos obligaa conocer y aprovechar mejor los ros de nuestro planeta. Esta esuna razn importante para el estudio de la Hidrulica Fluvial.Arturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial101.3 AproximacinalaHidrulicaFluvialHay tres grandes ideas que debemos tener presentes al enfrentarnosal estudio de los ros. Las tres ideas son fases de un mismo problema.En primer lugar debemos mirar a los ros como riqueza,como recursos naturales, como fuentes de vida; es decir, comoposibilidades de aprovechamiento en beneficio de la Humanidad.Asha sido desde los tiempos ms remotos, cuando el hombre seestableci junto a las fuentes de agua, las aprovech y empez lacivilizacin. En los primeros tiempos la utilizacin de los ros selograba mediante sencillas obras de ingeniera. Hoy, en cambio, serequiere de complejas obras para satisfacer la creciente demandade agua y de bienestar. Es as como tenemos proyectos de irrigacin,de hidroelectricidad, de abastecimiento poblacional e industrial, derecreacin, as como de control y encauzamiento de ros, querequieren importantes obras de ingeniera relacionadas con laHidrulica Fluvial. La Hidrulica Fluvial tiene mucho que ver con elcomportamiento de importantes estructuras hidrulicas. As, lasbocatomas son obras construidas en un ro con el objeto de captarsus aguas para utilizarlas en un proyecto hidrulico. El diseo,construccin y operacin de una bocatoma es importante tema delaHidrulicaFluvial,puessuimplementacinsignificaunamodificacinprofundaenelescurrimientofluvial.Paraelaprovechamiento de los ros se recurre tambin a la construccinde presas con el objeto de regular caudales. Cuando las presasestn ubicadas sobre el lecho de los ros representan cambiosfluviomorfolgicos importantes, como erosin y sedimentacin. Laprdida de volumen til de los embalses y los mtodos de luchaparamantenerlosformanpartedelaHidrulicaFluvial.Haynumerosas estructuras hidrulicas y problemas de diseo muyrelacionados con la Hidrulica Fluvial.En segundo lugar debemos mirar a los ros como elementosnaturales de los cuales tenemos que defendernos. Las avenidasson fenmenos naturales, producto de la aparicin de determinadascondiciones hidrometeorolgicas. Una inundacin, en cambio, esel desbordamiento de un ro por la incapacidad del cauce paracontener el caudal que se presenta. La inundacin es, pues, unIntroduccin al Estudio de los Ros Captulo 111fenmeno de tipo hidrulico, prueba de ello es que puedenocurririnundacionessinquehayacrecidasouneventohidrometeorolgico extraordinario. Las obras de control y eltratamiento del problema de las avenidas e inundaciones sonparte de la Hidrulica Fluvial.La tercera idea que debemos tener presente con relacin aun ro es su proteccin. Debemos proteger al ro de la agresinhumana. Una forma tpica de agresin a los ros, que luego se vuelvecontra quien la caus, es la contaminacin. La contaminacin es unfuerte limitante para el uso del agua. La contaminacin es la prdidade pureza del aguacomo consecuencia de la incorporacin desustanciasextraas.ElaguaqueestenlaNaturalezaesprcticamente pura; se contamina cuando entra en contacto con lacorteza terrestre y con las acciones humanas (en algunos casos elagua se contamina antes de llegar a la tierra, tal es la lluvia cida).El ro es un gran dren colector de la cuenca, no slo del agua, sinode todo aquello que est en contacto con ella. Los ros conducenlas sustancias contaminantes de un lugar a otro. En el Per casitodos los ros estn contaminados. Debemos, pues, luchar contrala contaminacin para que de ese modo sea ms fcil y econmicoel aprovechamiento de los ros.Las tres caractersticas sealadas en el estudio de los rosnos hacen ver que la Hidrulica Fluvial tiene que ubicarse dentrodel estudio y tratamiento integral de la cuenca.1.4 Relacin de la Hidrulica Fluvial con otrasDisciplinasLaHidrulicaFluvialnopuedecomprenderseniaplicarseaisladamente de una serie de disciplinas de ingeniera que le soncomplementarias. As, la Hidrulica Fluvial se ubica dentro de laHidrulica General y de la Hidrulica de Canales en particular. LaMeteorologa y la Hidrologa resultan indispensables para el estudiodeunadelasfasesdelfenmenofluvial.LaGeologa,laGeomorfologaydisciplinasafinesconstituyenfundamentoimportante para la mejor comprensin del comportamiento fluvial.Arturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial12LateoradelTransportedeSedimentosresultaindispensableeinseparable de la aproximacin al problema. Toda la informacin quenos da la Hidrulica Fluvial tiene que traducirse en acciones concretaspara el diseo, construccin y operacin de estructuras hidrulicas.1.5 LosRos delPer.PanoramadesuAprovechamientoyControlLos ros del Per tienen las ms diversas caractersticas y, comoocurre en casi todo el mundo, estn ligados al desarrollo social yeconmico del pas.Los hay torrenciales, de fuerte pendiente y corto recorrido,de descargas irregulares y de gran transporte slido, como los rosde la costa peruana. Desembocan al Ocano Pacfico y, ante laausencia de lluvias tiles, han constituido la base del desarrolloeconmico y poblacional de esta parte del pas. El aprovechamientode las aguas superficiales hizo posible la existencia y supervivenciadel antiguo habitante de la costa, desde hace varios miles de aos.Lasgrandescivilizacionespreincaicassurgieroncomoconsecuencia del aprovechamiento de las aguas superficiales,es decir, de la utilizacin de los ros en obras de riego. Asocurre tambin en la actualidad. En la costa peruana hay unas800 000 hectreas bajo riego, que representan la totalidad del reasembrada, que existen como consecuencia de la construccin deobras de irrigacin, que representan aprovechamiento de los ros,todo lo que supone el empleo de la Hidrulica Fluvial. Los jvenestorrentesdelacostatienenunamarcadatendenciaaldesbordamiento, a la produccin de inundaciones, debido a lairregularidad de sus descargas, a la disminucin de las pendientes,almanejodelroyamuchasotrascausasqueconstituyeninteresantes temas de la Hidrulica Fluvial. Los asentamientoshumanos prehispnicos estuvieron alejados de los ros; en cambio,luego de la conquista se fortalecen los asentamientos urbanos juntoa los ros, en sus mrgenes.En la costa los ros son la nica fuente de agua utilizableeconmicamente para abastecimiento poblacional e industrial,Introduccin al Estudio de los Ros Captulo 113irrigaciones y recarga del agua subterrnea. En algunos casostambin son posibles los aprovechamientos hidroelctricos.Enlaselva,encambio,hayrosdegrandescaudales,pendientes pequeas, largos recorridos y fuerte inestabilidad ytendencia a la variacin de curso. Como all llueve en abundancia(en la selva baja) no se hacen irrigaciones, pero s se aprovechanmucho los ros para la navegacin. Hay una importante tarea en loque respecta a crear y mantener las condiciones adecuadas para lanavegacin y actividades portuarias.En la sierra encontramos ros de variadas caractersticas.Sin embargo, los valles son estrechos, la tierra agrcola es escasa,hayfuerteerosindecuencas.Haymuchasposibilidadesdedesarrollos energticos. En la regin altiplnica las pendientes sonpequeas.Los estudios efectuados por la antigua ONERN (OficinaNacional de Evaluacin de Recursos Naturales), hoy INRENA(Instituto Nacional de Recursos Naturales), han permitido identificar1 007 ros en el Per, los que se desarrollan en tres vertientesEstos 1 007 ros representan en conjunto una masa hdricaanual de 2 044 km3, como puede verse en el siguiente cuadroVertiente Masa Anualkm3/aoCaudalm3/sPorcentaje%Pacfico 35 1 110 1,7Atlntico 1 999 63 388 97,8Titicaca 10 317 0,5Total 2 044 64 815 100,0Pacf ico381 ros (hasta del 4to orden, 53 ros principales)Atlntico564 ros (hasta del 6to orden, 4 ros principales)Titicaca62 ros (hasta del 4to orden, 12 ros principales)Arturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial14Los ros en general se caracterizan por su movilidad; siguensu camino por accin de la gravedad; el desnivel topogrfico es lacausa del desplazamiento del agua. Los ros existen desde hacemuchsimo tiempo, desde antes por cierto que existiesen los Estadosy los pases. En consecuencia, el territorio, es decir, aquel espaciogeogrfico sobre el que el Estado ejerce su dominio, no siemprecontiene ntegramente de principio a fin a un curso de agua. Comoconsecuencia de la demarcacin poltica de los Estados resulta queun lago o un ro queda contenido en dos o ms Estados. Nosencontramosentoncesfrentealosrecursoshidrulicosinternacionalmente compartidos.Se dice que un curso de agua es internacional cuando suescurrimiento se produce en msde un Estado. Se denomina cursode agua internacional a todo curso de agua, canal o lago, que separao atraviesa los territorios de dos o ms Estados. Obsrvese que elconcepto de curso de agua es ms amplio que el de ro y resultaimprescindible para tratar, por ejemplo, la contaminacin.Casiel99%delosrecursoshidrulicosdelPerseencuentra de algn modo comprometido internacionalmente: el100% de las cuencas del Atlntico y del Titicaca y un pequeoporcentaje de la cuenca del Pacfico. En muchos casos el Per esel pas de aguas arriba y en algunos otros es el pas de aguas abajo.El hecho de que nuestros ros estn en mayor o menor grado conalgn compromiso de tipo internacional tiene consecuencias desdeel punto de vista de la Hidrulica Fluvial.1.6 ElBinomioRo-CiudadEn todas partes existe una relacin muy fuerte entre el ro y la ciudadque se desarrolla a sus orillas. Londres y el Tmesis, Pars y elSena, Florencia y el Arno, Iquitos y el Amazonas, Lima y el Rmac,son algunos de los muchsimos binomios que podra mencionarse.El tratamiento que las ms importantes ciudades del mundodan a los ros que las cruzan es muy variado, dependiendo dediversos factores y circunstancias; as como, por cierto, de lascaractersticas hidrulicas, hidrolgicas y sedimentolgicas de cadaIntroduccin al Estudio de los Ros Captulo 115ro.En general, las grandes y ms importantes ciudades hanalcanzado soluciones armnicas para los problemas fluviales,estticos y funcionales.En la bsqueda de soluciones juega un papel importantsimoel carcter de cada ro. Es as como en muchos casos se trata deros maduros, de rgimen netamente subcrtico y cuya variacinestacional y anual alcanza valores extremos slo en situacionesverdaderamente excepcionales. A la vez, se dispone de orden,recursos y dems elementos que permiten el planeamiento de lasacciones de control fluvial.Pero, cuando los ros son jvenes, agresivos, de fuerte eirregular transporte slido y gran diferencia entre sus caudalesmnimos y mximos y su tratamiento e incorporacin a la ciudadno ha seguido un plan, entonces los problemas, acumulados durantecenturias, se manifiestan en un momento dado de una formaviolenta.En la costa peruana tenemos claros y dramticos ejemplosdel divorcio que ha existido, a partir de la conquista, entre eldesarrollodelaexpansinurbanaylosproblemasfluvialescorrespondientes. Importantes ciudades se han visto inundadas,sus puentes y vas de acceso destruidos, sus servicios pblicosinterrumpidos y toda la vida normal de la poblacin fuertementeafectada.La relacin entre Lima y el Rmac es muy estrecha. Desdesus orgenes Lima no us ms agua que la que exista en el roRmac. El control del agua del ro, el control de las bocatomas, erafuente de poder en el antiguo Per, y Lima no era la excepcin.Todo esto tiene que mirarse a la luz de la aridez existente en elrea.Alprincipiolosusospredominantesdelroeranlospoblacionales y agrcolas. Posteriormente apareci con fuerza eluso energtico.El Rmac es un tpico torrente costeo con irregularesdescargas en el tiempo. En los meses de verano el ro transportagrandes cantidades de slidos provenientes de la erosin de lacuenca.Arturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial16El ro Rmac es un torrente, una gran quebrada, con fuertependientequeeneltramocitadinollegaavaloresqueestnalrededor del 1%. Su rgimen hidrolgico es fuertemente irregular:grandes caudales en los meses de verano y caudales mnimos enlos meses de invierno (estiaje). No slo es importante la variacinestacional; hay aos en los que en los meses de verano (marzo,especialmente) el ro alcanza grandes caudales. Es, sin embargo,notorio que los grandes caudales tienen una corta duracin. Estefenmenoesmsintensoenloscaudalesslidos.Lasconcentraciones de material en suspensin han alcanzado valoresextraordinarios, aun para caudales bajos.El tramo citadino del ro Rmac, desde la fundacin de laciudaddeLima,hasidoobjetodediversasobras(puentes,bocatomas, encauzamientos, defensas) que no se han ejecutadodentro de un plan de desarrollo, que contemple el binomio ro-ciudad. La consecuencia ha sido que la sucesiva construccin deobras ha alterado profundamente las condiciones naturales del rocreando problemas serios. Es decir, se ha producido la respuestafluvial frente a las obras realizadas.Una de las caractersticas de la ciudad de Lima es que todoeltramocitadinodelroRmacseencuentradesprovistoydesvinculado de un tratamiento que lo incorpore a la esttica yfuncionalidad de la ciudad.El ro Rmac presenta problemas en casi todo su recorrido,pues el crecimiento de las ciudades ha invadido gran parte delcauce.El crecimiento desordenado de las poblaciones ribereas ysus carencias cvicas y sanitarias hacen que se considere al ro Rmaccomo un colector de desperdicios al que se arroja basura y todoslos residuos de las actividades humanas, lo que dificulta y encarecesu aprovechamiento.Otro de los problemas que presenta el ro Rmac en surelacin con las ciudades se encuentra en Chosica. All el caucedel ro ha sufrido estrechamientos importantes, que limitan la cajafluvial y la posibilidad de que el ro ocupe sus reas de inundacin.Esto es un problema que se presenta en muchas partes delpas: la expansin urbana ha ocupado paulatinamente las reasIntroduccin al Estudio de los Ros Captulo 117naturales de inundacin de los ros, las que como cauce secundarioservan para el escurrimiento temporal de los grandes caudales. Enla zona en la que el Rmac atraviesa Chosica las construccionesllegan hasta el borde mismo del ro, sin que ste se encuentre ensus mximos caudales. Hay una seccin en la que el ancho del rose ha reducido a 17 metros. Todo esto motiva que el ro no tengacauce secundario y cuando se presentan avenidas y huaicos seproducen desbordes.Los problemas del binomio ro-ciudad se presentan enmuchas partes del Per. En 1998 el ro Ica inund la ciudad. El roPiura en algunas oportunidades ha inundado la ciudad del mismonombre y en 1998 derrib importantes puentes de la ciudad. Laciudad de Tumbes sufre inundaciones del ro del mismo nombre. Elnmero de ejemplos podra multiplicarse. Recordemos pues que laplanificacin del uso de la tierra es sumamente importante y en ellala Hidrulica Fluvial es un componente importante.Son,pues,numerososlosproblemasquepresentaelbinomio ro-ciudad. La cuenca debe mirarse de un modo integral.La comprensin y el tratamiento de un ro no pueden desligarse delo que ocurre en su cuenca. Utilizar el agua, defendernos de ella yprotegerla de la contaminacin son los elementos fundamentalespara planificar el uso del agua de una cuenca. Debe haber, pues,unaAutoridadResponsabledelasCuencasensuIntegridad,encargada de planificar y coordinar con los diferentes sectoresinvolucrados el manejo integral de la cuenca, comprendiendo lorelativo a su conservacin y mantenimiento, acciones de forestacin,obras de defensa, encauzamiento, mantenimiento de puentes y elaprovechamiento del agua en sus mltiples usos, lo que obviamenteincluye el control de la contaminacin, tal como fue sealado porelColegiodeIngenierosdelPer,atravsdelConsejoDepartamental de Lima, en su Pronunciamiento del 18 de marzode 1994.19Erosin de Cuencas Capitulo 22.1 ConceptosFundamentalesdeGeomorfologaTHORNBURY en su libro Principles of Geomorphology sealaalgunos conceptos fundamentales con relacin a la Geomorfologay, como de algn modo tienen que ver con la hidralica fluvial losresumimos a continuacin.Concepto 1. Los procesos fsicos que se dan en la actualidad ylas leyes que los rigen son fundamentalmente iguales a los que operandesde los tiempos geolgicos, aunque no necesariamente siempre conla misma intensidad que ahora.Esteesunode los principios fundamentales de la geologa,"elpresenteeslaclaveparaentenderelpasado"escribiHUTTON en el siglo XVIII. Sin embargo, la intensidad de estosprocesos es variable. Por ejemplo, en el Pleistoceno los glaciaresestuvieron mucho ms activos que ahora.Pero, en general, los procesos son fundamentalmente iguales:el agua forma los valles, el viento transporta las arenas, etc.Captulo 2Erosin de CuencasArturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial20Concepto 2. Las estructuras geolgicas son factores dominantesdel control de la evolucin de las formas terrestres y se reflejan enellas.El trmino estructura geolgica debe entenderse ac en suacepcin ms amplia. Es decir, no slo como pliegues o fallas,sino como todo aquello que modela las formas terrestres, comopor ejemplo las propiedades fsicas y qumicas, la dureza, lacapacidad de soportar agresiones qumicas, etc.Las estructuras rocosas son ms antiguas que las formasterrestres que se desarrollan junto a ellas.La influencia de las estructuras geolgicas no siempre esevidente, depende de la habilidad y experiencia del observador.Las fotografas areas nos ayudan a interpretar la evolucin de lasformas terrestres.Concepto3.Losprocesosgeomrficosdejansusellocaracterstico sobre las formas terrestres, y cada proceso geomrficose desarrolla dentro de las formas terrestres existentes (se "ensambla"a ellas).Ac el trmino proceso implica las muchas maneras fsicas yqumicas por medio de las cuales se modifican las formas terrestres.Estosprocesospuedenserendgenos,comovulcanismoydiatrofismo, o exgenos como los provenientes de la erosin o delintemperismo.Cada proceso geomrfico deja su sello caracterstico sobrela superficie terrestre. Es conocido que las terrazas fluviales, unabanico fluvial o un delta, para mencionar algunos ejemplos, sonproducidos por la accin del agua. Hay numerosos ejemplos quepodra citarse (las cavernas son producidas por el agua subterrnea,etc.).Debidoaquecadaagentegeomrficoproduceunaformaterrestreparticularesqueesposiblehacerunaclasificacin gentica de las formas terrestres. Las formasterrestres no se desarrollan, pues, al azar, sino que hay unavinculacin causal entre ellas. Ciertas formas estn asociadascon otras. Conociendo las formas existentes podemos inferircuales son las que se presentarn en el futuro.21Erosin de Cuencas Capitulo 2Concepto 4. Al actuar los diferentes agentes de erosin sobrela superfcie terrestre se produce una secuencia de formas que tienendeterminadas caractersticas en funcin del estado del proceso general.Este concepto est vinculado al de ciclo geomrfico. El ciclogeomrfico consiste en los varios cambios que una masa de tierrasufre en su configuracin superficial como consecuencia de losagentes externos. Hay, pues, una secuencia ordenada y previsiblede formas, y no la aparicin de ellas al azar. De ac los trminos,ms o menos metafricos de ro joven, maduro o viejo, que seusan frecuentemente en Hidrulica Fluvial. Naturalmente que estosconceptos de secuencias temporales no son fcilmente manejablese implican relativismos.Concepto 5. En la evolucin geomrfica la complejidad es msfrecuente que la simplicidad.Las explicaciones simples son deseables, pero insuficientes(muchas veces, por lo menos). Las formas terrestres que vemossonproductodelacombinacindevarioseventos.As,HORBERG, citado por THORNBURY, clasifica los paisajes yformas terrestres de la siguiente maneraPaisaje Simple: es aqul que se origina en un procesogeomrfico nico y dominante.Paisajes Compuestos: son aqullos cuyo origen se explicaen funcin de dos o ms procesos geomrficos. Sin embargo, porlo general hay un proceso dominante. As, el origen de un paisajepuede atribuirse fundamentalmente al agua, pero no debe ignorarseque, por ejemplo, el intemperismo tambin ha desempeado algnpapel. Puede haber una formacin de origen claramente hidrulico,pero que tenga partes de origen volcnico.Paisajes Monocclicos: son aqullos que slo representanun ciclo de erosin.Paisajes Multicclicos: son aqullos que se originaron enms de un proceso de erosin.Arturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial22Paisajes Redescubiertos: son aqullos que se formaron enuna poca geolgica antigua, luego fueron cubiertos y finalmentedescubiertos en tiempos geolgicos ms recientes.Concepto 6. Poca de la topografa actual es ms antigua que elTerciario y la mayor parte no es ms antigua que el Pleistoceno.ASHLEY ha insistido mucho en la juventud de nuestratopografa.Elcreeque"lamayorpartedelpaisajeterrestre,montaas, valles, costas, lagos, ros, cadas, acantilados y caonessonposterioresalMioceno,lamayorpartedelosdetallestopogrficos son de la poca en la que apareci el hombre y pocosoningunodelosaccidentesactualestienenrelacinconlassuperficies premiocnicas".Concepto 7. No es posible una correcta interpretacin del paisajeactual sin una apreciacin completa de las muchas influencias geolgicasy climticas ocurridas durante el Pleistoceno.Los cambios ocurridos durante el Pleistoceno (Cuaternarioms antiguo, ya hay restos fsiles humanos) muestran sus efectosen la poca actual. La glaciacin afect directamente unos 26millones de km2 (10 millones de millas cuadradas), pero la influenciase extendi mucho ms all. Regiones que actualmente son ridas,no lo eran. La invasin del hielo alter profundamente los caucesfluviales.Porejemplo,elcursoactualdelosrosMissouriyMississippi es el resultado de las modificaciones ocurridas durantelas glaciaciones. Se alteraron los niveles del mar. Al congelarse elagua superficial disminuy el volumen de los ocanos. Se produjouna disminucin del nivel medio del mar de por lo menos 100metros y quizs ms. Al derretirse posteriormente los hielos seprodujeron importantes cambios en la superficie terrestre.Concepto 8. Para un correcto entendimiento de los diferentesprocesos geomrficos se requiere una apreciacin adecuada del climamundial.El clima (temperatura y precipitacin, principalmente) tieneuna gran influencia en los procesos geomrficos. Esta influenciapuede ser directa o indirecta. Por ejemplo, el clima determina lacobertura vegetal (cantidad, tipo y distribucin espacial).23Erosin de Cuencas Capitulo 2Hay que diferenciar bien las elaboraciones que se han hechosobrelageomorfologadelasregioneshmedasylaquecorresponde a las regiones ridas.Concepto 9. La geomorfologa se ocupa principalmente de lasformas actuales de la tierra, pero tiene un importante papel en el anlisishistrico del paisaje.El estudio de las apariencias que tuvo el paisaje terrestreen el pasado podra llamarse paleogeomorfologa. Por ejemplo,vallespreglaciales,ahoracubiertosconmaterialesglaciales,constituyen fuentes importantes de agua subterrnea.Se trata, pues, de conocer las formas de la tierra que seoriginaron en fuerzas que ya no existen.2.2 ProcesosyAgentesGeomrficos.AgradacinyDegradacinLos procesos geomrficos son los cambios fsicos y qumicos quemodifican la forma de la superficie terrestre.Un agente geomrfico es un medio natural capaz de removery transportar los materiales terrestres. Son agentes geomrficostpicos:laescorrentasuperficial,lasaguassubterrneas,losglaciares, el viento, los movimientos del agua, como olas, mareas,corrientes y tsunamis. Todos estos agentes se originan fuera de lacorteza terrestre por lo que se les designa como agentes exgenos.Los agentes geomrficos remueven materiales de una partedelacortezaterrestreylostrasladanaotra.Alosagentesgeomrficos antes sealados debe aadirse la accin de los seresvivos: los animales en general y el hombre en particular.Hay otro tipo de agentes geomrficos que se origina en elinterior de la corteza terrestre: son endgenos.THORNBURY seala que no hay una nomenclatura nicaparadesignarlosprocesosgeomrficos.Porejemplo,podrapreguntarse si el intemperismo es parte de la erosin o no.Los geomorflogos usan la expresin inglesa "gradation"para designar "todos los procesos que tienden a llevar a un mismoArturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial24nivel a todos los puntos de la litsfera". "Gradation", quetraducimos como gradacin, es un fenmeno general que tienedos categoras: degradacin y agradacin. La gradacin es latendencia a la igualacin de niveles.La degradacin (disminucin de niveles, erosin, socavacin)incluye bsicamente tres procesos: intemperismo, prdidas violentasdesueloyerosinengeneral.Elintemperismoconsisteenladescomposicin, en la desintegracin, de las rocas en el lugar en elque se hallan.Una forma de degradacin es la prdida violenta de sueloscomo consecuencia de deslizamientos, avalanchas y huaicos. En elPer la degradacin violenta es importante y frecuente. Resultaser un concepto indispensable para comprender, por ejemplo, lagran variabilidad temporal del transporte slido fluvial.Laagradacineselprocesocontrario.Consisteenlasedimentacin, en el aumento de niveles, en la deposicin demateriales slidos.Desde el punto de vista del estudio de la Hidrulica Fluvialnos interesan mucho los procesos de erosin de la corteza terrestre,pues en el manejo de un ro el transporte slido es muy importantey ste slo puede comprenderse y controlarse en funcin de laerosin de la cuenca.2.3 La Erosin de Cuencas. Erosin EspecficaLos sedimentos fluviales se originan en la erosin de la cuenca. Laerosin es un proceso natural que se desarrolla continuamente desdelos tiempos geolgicos y que determina y modela la forma de lacorteza terrestre.El Glosario de la Organizacin Meteorolgica Mundialdefine la erosin como el desgaste del suelo por accin del agua enmovimiento, de los glaciares, vientos y olas.FRIJLINK, en su libro Rivers, nos dice que la erosin es elproceso natural de destruccin ("demolition") de la superficie dela Tierra y la remocin por el viento y el agua de los productosresultantes.25Erosin de Cuencas Capitulo 2El estudio de la erosin es importante desde el punto devista de la conservacin de suelos. Y es que la erosin actapermanentemente modificando la apariencia del paisaje terrestre.Estos cambios pueden ser lentos o rpidos, bruscos o paulatinos.La erosin puede originarse a partir de la roca primariadesnuda expuesta a agentes naturales mecnicos, orgnicos yqumicos. La diferencia entre las temperaturas mximas y mnimasproduce rajaduras en la roca desnuda. El agua ingresa por lasgrietas, se congela, se dilata y se produce la fractura de la roca.All puede luego desarrollarse vegetacin y aparecer la accinqumica.El producto de la erosin de la roca forma un talud o conoaluvial junto a la roca desnuda. Este material, que en ingls sellama "debris" (escombros, restos, despojos) es transportado porel agua o el viento hacia los ros, los que lo conducen eventualmentehasta el mar. En los ros este material recibe el nombre de materialslido o sedimentos.El material slido que se incorpora a los cauces fluvialespuede provenir de deslizamientos, desplomes, etc, e ingresarviolentamente, en grandes cantidades, al cauce fluvial.Comoconsecuenciadelaerosinhayuncambiodelapendiente original del terreno (pendiente endogentica). En algunoslugares hay remocin de materiales y en otros hay sedimentacin.Comoconsecuenciaapareceunanuevapendientealaquesedenomina exogentica, tal como se ve en la Figura 2.1.Figura 2.1Variacin de Pendientes durante la Erosin(Degradacin)Pendiente ExogenticaDeposicin(Agradacin)ErosinPendiente EndogenticaArturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial26El movimiento de los slidos a lo largo de un ro no es unproceso continuo, sino intermitente. El material es transportadopor la corriente hasta un cierto punto donde se deposita. Puedeeventualmente ser depositado en las terrazas o reas de inundacin.En un cierto momento, para un determinado caudal, el materialdepositado es parcialmente erosionado y transportado hasta otrolugar, donde a su vez sedimenta.El proceso se repite y consta de acumulaciones sucesivas demodo que en ciertos ros puede demorar aos, siglos, hasta que elmaterial slido llegue a la desembocadura ("miles de aos", diceFRIJLINK).Un ro est continuamente seleccionando las partculas queerosionayquesedimenta,ypresentaademscapacidaddetransporte variable.La corteza terrestre es cambiante a lo largo del tiempo. Lasfuerzas tectnicas producen las grandes modificaciones. A ellas sedebe los continentes, las islas, las cordilleras. La erosin tiende aigualar niveles. Se ha calculado que las fuerzas erosivas podran enveinticincomillonesdeaos"convertiralamayorpartedeAmricadelNorteenunavastallanuradeproporcionesgigantescas, pero de apenas unos metros sobre el nivel del mar...si las fuerzas tectnicas no contrarrestan estas tendencias, todoslos continentes, paulatinamente reducidos a vastas llanuras, tardeo temprano quedarn bajo el nivel del mar. Algunos estudiososespeculanqueesteprocesoesirreversible,perolasfuerzastectnicas, en cambio, parecen trabajar -en el fondo del Pacfico-en la elevacin de nuevas masas terrestres, para formar nuevoscontinentes".El agua es el agente erosivo ms importante y poderoso. Elagua no slo transporta partculas slidas. Tambin transportasustancias qumicas que contribuyen al proceso de erosin.LEOPOLD da para la erosin global de nuestro planeta elvalor de 2,7 cm cada mil aos. En cambio FOURNIER, citadopor FRIJLINK, da como valor 4 cm por centuria. Se ha estimadoque los ros denuestro planetaconducen hacia el mar anualmente30 000 millones de toneladas de materiales slidos. Se ha calculado27Erosin de Cuencas Capitulo 2que en Estados Unidos el ro Colorado lleva diariamente una masadeslidosde500000toneladas.Paraapreciarlasgrandescantidades transportadas por algunos ros puede observarse elCuadro 2.1, segn FRIJLINK.Todosestosgrandesvaloresdelaerosintienenquerelacionarse con la gran cantidad de agua que precipita sobre latierra y, sobre todo, con la gran variabilidad temporal que tiene.El agua arrastra muchas veces tierras frtiles por lo que laluchacontralaerosinformapartedelaluchacontraladesertificacin.La cantidad de slidos resultante de la erosin de la cuencase expresa en unidades de volumen o peso por unidad de rea dela cuenca y por unidad de tiempo (t/km2/ao, m3/ha/ao, etc.). Aeste valor se le conoce con el nombre de Erosin Especfica (E.E.).As tenemos que en la zona de los Pirineos se ha registrado unaerosin especfica de 70 m3/km2/ao, pero en los Alpes el valorsube a valores comprendidos entre 500 y 800 m3/km2/ao. Esinteresante citar en este punto, lo sealado por AGUIRRE: "EnVenezuela,CURIEL(1965)determinlaproduccindesedimentosdediversascuencaspormediodelosdatosdemediciones de la concentracin de sedimentos en suspensindurante un largo periodo de tiempo. La mxima produccin desedimentoscorrespondialacuencadelroMotatn,muyerosionada, de 4 200 km2 hasta Agua Viva, con una produccinde 2 556 m3/km2/ao. La mnimaproduccin correspondi a lacuenca del ro Mucujn, con amplia cobertura vegetal, de 129km2 hasta Valle Grande, con una produccin de 8 m3/km2/ao".Y en el caso de nuestras cuencas tenemos por ejemplo que lacuencadelroJequetepeque,de3625km2hastalaestacinVentanillas, tuvo una erosin especfica del orden de 800 t/km2/ao(en el periodo 1968-1977). Este valor fue similar en los ros Chiray Huancabamba.En general los valores ms altos de la erosin especfica seregistran en cuencas pequeas, de rgimen irregular de lluvias. Enellas hay fuerte erosionabilidad del suelo, y la erosin especficapuede exceder de 10 000 m3/km2/ao.Arturo RochaIntroduccin a la Hidrulica Fluvial28CUADRO 2.1COMPARACION DE DATOS BASICOS DE ALGUNOS RIOSNoNombre Area Drenadakm2LongitudkmTransporte Anualde Agua109 m3Transporte Anualde Sedimentos106tDescargas de AguaMxima Mnima1234567891011121314151617181920AmazonasNiloYangtze KiangCongoMissouriHwang HoMekongNigeriaMississippiVolgaSt LawrenceParan(Plata)IndusBrahmaputraDanubioZambiaGangesDnieperIrrawaddyRin7 050 0002 860 0001 830 0003 700 0001 370 000 771 000 795 0001 890 0003 222 0001 500 000-3 000 000 452 000 938 0001 165 0001 300 000 905 000- 415 000 162 0006 7006 1005 5804 7004 6604 6304 2004 1003 9703 8903 8003 8003 3002 9002 9002 7002 5802 2702 0001 320 3 000 85700 1 400-200400180600250300600200380200500-50520809006097070-2 0008004060025 390400-80100-50290 3200 000-80 00065 00025 50025 00060 00030 00076 500---26 000-10 000-60 000-64 00012 000--5 20027 000-2451 7001 2003 500---490425--1 740-1 310500Tomado de FRIJLINKm3/s29Erosin de Cuencas Capitulo 2En la Figura 2.2 se observa la cuenca del ro Amarillo (China).Se muestran las curvas que unen los puntos que tienen igual erosinespecfica.DentrodelainmensacuencadelroAmarilloestlasubcuenca CHING, que tiene un rea de 57 000 km2 y en la que laerosin especfica es de 7 898 t/km2/ao. Es esta una zona congravsimos problemas de erosin.En Mxico se determin que el 80% del territorio tieneproblemas de erosin. La produccin total de slidos, productode la erosin, es de 500 millones de toneladas por ao. La erosinespecfica es de 330 t/km2/ao. Entre las causas que se sealaronpara explicar esta gran erosin estn las siguientes: lluvias intensas,desforestacin y monocultivos.2.4 TiposdeErosinSe puede, en trminos estadsticos, hablar de una erosin normal,la que se caracteriza por un progreso lento. Se va alcanzando pocoa poco un estado de equilibrio. El tamao de las partculas presentauna distribucin normal (que incluye desde rocas hasta limos). Nohay un porcentaje anormal de ningn tamao de partculas. El roprcticamente est en estado de equilibrio. No hay problemas seriosde erosin o sedimentacin.Existe tambin la erosin acelerada, que ocurre cuando serompen o alteran las condiciones naturales. Puede originarse endiversascircunstancias:cambiosenelclima(aumentodetemperatura, deshielos, cambio de vegetacin, etc.), accin defuerzasgeolgicas,accindeanimales,etc.Sinembargo,laprincipal y ms frecuente causa de una erosin acelerada est enlas acciones humanas.El hombre es el principal destructor de la Naturaleza. Laerosin es un proceso natural que puede agravarse por la accindel hombre. Es decir, que se puede pasar de una erosin normal onatural a una erosin inducida. As por ejemplo, la desforestacin,la destruccin de la vegetacin, causa un aumento de la erosin.Sin embargo, este fenmeno slo puede comprenderse dentro desu compleja problemtica socioeconmica.Arturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial30Figura 2.2 Cuenca del Ro Amarillo. Las lneas unen puntos deigual Erosin Especfica (E.E.) en t/km2/ao.La cuenca del ro Amarillo es de 673 400 km2. Laerosin especfica es de 3 089 t/km2. La concentracinmedia anual es de 44 kg/m3. La subcuenca Chingtiene el 8% del rea total de la cuenca y produce el22%delossedimentosdetodalacuenca;suconcentracin media es de 252 kg/m3.31Erosin de Cuencas Capitulo 2Hay algunas definiciones sobre tipos de erosin que estncontenidasenelGlosariodeTrminosdelaComisinLatinoamericana de Irrigacin y Drenaje (CLAID). Ellas sonErosin en Crcavas: es la que causa profundas excavacionesen el suelo. Crcava, segn el diccionario, es la "hoya o zanjagrande que suelen hacer las avenidas de agua".Erosin Laminar: es la remocin, por efecto de la lluvia odel escurrimiento de las aguas, de una capa ms o menos uniformedel suelo superficial. Contrasta con la erosin en crcavas. Entrelos factores que determinan la intensidad de la erosin laminarestn la precipitacin, las caractersticas de erosionabilidad de lossuelos, las caractersticas del terreno (pendiente, longitudes), lascaractersticas de los cultivos que puedan existir (o su ausencia) ylas medidas de control que pudieran haberse tomado. Para el clculode la erosin laminar se emplea la Ecuacin Universal de Prdidade Suelos. Para su aplicacin se requiere mediciones de campo.ErosinenSurcos:eslaremocinyprdidadelsuelosuperficial en pequeos canales, ocasionada por el agua.Erosin Elica: es la separacin, transporte y depsito desuelo por la accin del viento. La remocin y el depsito puedenser en forma ms o menos uniforme, o como mdanos y dunaslocalizadas.Sonvarioslosfactoresqueoriginanlaproduccindesedimentos en una cuenca tropical. Para el ro Santo Domingo,Venezuela, (Figura 2.3) ellas fueronLa erosin laminarLos derrumbes geolgicos (masivos)Pequeosdeslizamientos(enelcauceprincipalyenlasquebradas afluentes)Erosin del material depositado en los caucesLa construccin de obras de ingenieraArturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial32Figura 2.3 Cuenca del Ro Santo Domingo: descomposicin ensubcuencas.(Ver Cuadro 2.3)Elembalsesirveparalaregulacindiariadeloscaudales que se requieren para la generacin deenerga en el "Complejo Hidroelctrico General JuanAntonioPez"(Venezuela).Elvolumentotaldelembalse es de 3 millones de m3 y debe conservarsepermanentemente un volumen til de 0,4 millonesde m3. Se realizaron intensas acciones para reducirla erosin de la cuenca, cuyo costo se compar conel de la energa que se dejara de producir.Area = 419 km2RIO ARACAY1 Subcuenca Alta2 Subcuenca Media3 Subcuenca BajaRIO PUEBLO LLANO4 Subcuenca Alta y Media5 Subcuenca Baja Norte6 Subcuenca Baja SurRIO ALTO SANTO DOMINGO7 Subcuenca Alta8 Subcuenca Media9 Subcuenca Baja33Erosin de Cuencas Capitulo 22.5 ElVientoylosGlaciarescomoAgentesErosivosEl viento es tambin un agente erosivo importante. El viento actaesencialmente trasladando las partculas slidas, aunque tambinlo hace por abrasin, que es el choque y friccin de las partculastransportadas por el viento con el terreno natural.Se afirma que el viento no siempre tiene una accin negativa.Suaccintambinpuedeserbenfica,puescontribuyealaformacin de suelos. As por ejemplo, se dice que los "vientos quehansopladopormileniosdesdeeldesiertodeGobi,hanenriquecido el suelo de China oriental". Igualmente "los vientosque azotaron el valle del Mississippi y varias regiones, a finalesde la ltima Edad de Hielo, produjeron los ricos suelos que hoyposeen la zona oriental del bajo Mississippi y varias regiones delos estados de Iowa, Illinois y Missouri".La accin del viento es mucho ms fuerte en las zonas ridas,pues la ausencia de vegetacin hace que la fuerza del viento actentegramente sobre el suelo. En algunas regiones del Per las arenaselicas se incorporan a los canales y drenes y producen problemassedimentolgicos. En algunos proyectos ha sido necesario convertir elcanal en un conducto cubierto (para impedir el ingreso de arenas elicas).Los glaciares son agentes erosivos muy destructivos. Losglaciares actuales constituyen restos de la ltima glaciacin(ocurridahaceunos20000aos)."Unglaciarde300mdeprofundidad ejerce una fuerza de aproximadamente 10 toneladassobrecadametrocuadradodelsuelodelvallesobreelquesedesliza. A medida que el glaciar avanza, va barriendo consigo elsuelo sobre el que se desplaza. Los glaciares de los Alpes avanzanslo un tercio de metro al da, otros en Alaska, llegan a avanzarhasta 12 metros diarios".En los ltimos miles de aos el paisaje terrestre ha cambiadomuchsimo. La explotacin de los recursos naturales puede tenerconsecuenciasnegativassobrelaconservacindelacortezaterrestre. La bsqueda de fuentes energticas, la desforestacin, laconstruccin de caminos y ciudades, la minera, en fin mucho de loque el hombre hace, provoca erosin.Arturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial342.6 PrevencindelaErosinParaprevenirlaerosinesimportantelaconservacindelavegetacin.Son varios los modos mediante los que la vegetacindisminuye la posibilidad de erosin. As tenemos que la vegetacina) Rompe la fuerza de las gotas de lluviab) Retiene parte de la lluvia (quizs hasta 10 mm)c) Conserva el suelo hmedo y absorbented) Mantiene al suelo poroso, por la presencia de races yvida vegetale) Aumenta la resistencia del suelo por la presencia de racesf)Representa una resistencia al flujo superficial y aumentael flujo subterrneo.Es conocido el caso de Hait, donde la tala indiscriminadadelosrbolesyladestruccindelosbosquestrajocomoconsecuenciaqueaumenteenormementelaerosinconlosconsiguientes problemas en los ros y cauces.Para ilustrar la importancia de la vegetacin citamos unejemplo registrado por SCHOKLITSCH. En la cuenca de 518 km2del ro Santa Ins, California, ocurri una serie de incendios quedestruyeron gran parte de la vegetacin y dejaron la cuenca expuestaa la erosin. En el cuadro siguiente se muestra la variacin, a lolargo del tiempo, de los porcentajes de rea verde destruida porlos incendios y los valores correspondientes de la erosin especficaEn cambio, en el ro Pecos una campaa de forestacin de lacuenca dio por resultado que al cabo de algunos aos la erosinespecfica disminuyera notablemente, tal como lo demostraron losvalores de la sedimentacin en el reservorio de Mc Millan, a partir delos cuales se dedujo que la erosin baj de 62,5 a 7,5 m3/km2/ao. Aos Porcentaje (%)Erosin Especfica1922 15,0% 376 m3/km2/ao1927 43,6% 5881932 60,3% 1 41035Erosin de Cuencas Capitulo 2As como la presencia de vegetacin es importante para laintensidad de erosin hay tambin otros factores. El anlisis eincidencia de cada uno de ellos puede ser bastante complejo. Engeneral los factores determinantes de la erosin sona) Vegetacin (tipo, cantidad, etc)b) Suelos (caractersticas fsicas, textura, estructura,etc)c) Pendiente de la cuencad) Lluvias (intensidad, cantidad, variacin temporal)e) Acciones humanas (puede ser el ms importante)2.7 AreasCrticasLos estudios de erosin de cuencas son largos y costosos, peroresultan indispensables para su aprovechamiento.Para estudiar y tratar una cuenca lo mejor es descomponerlaen reas parciales de diferente grado de erosionabilidad. Estopermite identificar las acciones a realizarse para disminuir la erosin.Se busca as la identificacin de las reas crticas.Las Areas Crticas pueden ser definidas de la siguientemanera:porcindelacuencaqueproduceunacantidaddesedimentos significativamente mayor que el porcentaje de rea quele corresponde.As por ejemplo, la subcuenca CHING tiene el 8% del reade toda la cuenca del ro Amarillo, pero produce el 22% de lossedimentos de toda la cuenca. En el Cuadro 2.2 se presenta losvalores de la erosin especfica en varias pequeas subcuencas delro Amarillo. Obsrvese los altos valores que aparecen.La erosin total de una cuenca es igual a la suma de losproductos del rea por la erosin especfica de cada una de laspartes caractersticas en las que se ha descompuesto la cuencaErosin total = A x E= A1 x E1+A2 x E2+A3 x E3+......E es la erosin especfica de toda la cuenca y Ei corresponde a laerosin especfica de cada una de las reas Ai identificadas. Unaparte de la cuenca puede tener erosin cero.Arturo RochaIntroduccin a la Hidrulica Fluvial36CUADRO 2.2EROSION ESPECIFICA Y VALORES CARACTERISTICOS EN SUBCUENCAS DEL RIO AMARILLOZONA 1 ZONA 2SUBCUENCA AREA(km2)EROSIONESPECIFICAt/km2/aoEROSIONESPECIFICAt/km2/aoAREA%EROSION%EROSIONESPECIFICAt/km2/aoAREA%EROSION%PROPORCIONZONA1/ZONA2TUANSHANTUANYUANWANGOHIACHIUYUAN0,180,499,1070,1023 46027 53013 80018 10019 60026 30010 90016 000744560576243475034 50028 50014 20020 70026554143385753501,81,11,31,3CUENCA CHIUYUANTORMENTA CHUBASCOS ESCORRENTIA EROSIONFECHA PRECIPITACION(mm)DURACION(hrs)INTENSIDAD(mm/min)DURACION(min) m3/km2% t/km2% de todoel ao8 de Agosto 195619/20 Agosto 19591 de Agosto 19615 Julio 196419 Julio 196645,197,957,7129,146,22,4018,903,1418,81 7,302,00,83,31,12,17,010,010,08,010,021 10015 20032 10017 20053 94046,035,067,249,285,018 50012 15026 20015 60029 10050,540,476,658,086,5ZONA1:Pendienteshastade35.Suelosfinos,cultivados ZONA2: Pendientesentre45y60.Tendenciaadeslizamientos37Erosin de Cuencas Capitulo 2En Venezuela se hizo un estudio detalladsimo de la cuencadel ro Santo Domingo, identificndose no slo las subcuencas demayor produccin de sedimentos, sino tambin las fuentes deerosin potencial. Se estudi cada crcava y rea crtica en untrabajo que puede decirse se realiz hectrea por hectrea. En laFigura 2.3 se muestra la cuenca del ro Santo Domingo y en elCuadro 2.3 se ven los valores de la erosin especfica. La erosinespecfica media de toda la cuenca fue de 411 t/km2/ao.En el Cuadro 2.4 titulado Origen y Relaciones de la Erosin,preparado por la Empresa de Energa Elctrica de Venezuela, semuestraesquemticamentelasecuenciadelaerosinysusconsecuencias.2.8 LaErosinenelPerEn el Per es notable la destruccin de la cobertura vegetal enmuchas cuencas. Esto agudiza los estiajes y avenidas e incrementalas cantidades de slidos transportadas por los ros. El ro Zaa,por ejemplo, tiene una cuenca con amplia cobertura vegetal. Enella la erosin especfica es muy pequea, del orden de 60 toneladaspor ao y por kilmetro cuadrado, es decir, menos del 10% de laque se presenta en su cuenca vecina, Jequetepeque.Como ejemplo de mala conservacin de cuencas, citamosa continuacin unos prrafos de una publicacin ecuatoriana sobrelos ros Puyango-Tumbes y Catamayo-Chira."Lasdoscuencassehallanafectadasporunadesforestacincasicatastrfica,quesedebeafactoressocio-econmicos de la poblacin asentada en ellas. El afn de buscartierras para la agricultura y ganadera, sin direccin y consejotcnicoalguno,permitiquenuestroscampesinosdelaustrosubieran hasta las mismas crestas de las montaas dispuestos atalar inmisericordemente la foresta primitiva. Tal desforestacinsumada a las psimas prcticas en el uso de las tierras, constituyenlacausadequelasaguaspluvialesqueseprecipitansobrelacordillera,escurranviolentamentesobreloscaucesabriendocrcavas y arrancando la capa vegetal, pues el efecto de retencinArturo RochaIntroduccin a la Hidrulica Fluvial38CUADRO 2.3PRODUCCION DE SEDIMENTOS DE LA CUENCA ALTA DEL RIO SANTO DOMINGO, SEGUN GUEVARA Y YAEZCuenca/SubcuencaErosinLaminart/aoErosinLocalt/aoErosinTotalt/ao% Areakm 2ErosinEspecficat/km2/aoARACAY:AltaMediaBaja13 11235 12013 076 5 959 8 780 1 24319 07143 90014 319112683636 9 5301 2191 591SUBTOTAL 61 308 15 982 77 290 45 81 954PUEBLOLLANO:Alta-MediaBaja-NorteBaja-Sur 6 39710 75310 8041 0831 8095 636 7 48012 56216 440 4 710285018267251913SUBTOTAL 27 954 8 528 36 482 21 96 380ALTO STO DOMINGO:AltaMediaBaja 5 355 6 07432 865 2 233 2 955 8 859 7 588 9 02941 724 4 5247562105101146397SUBTOTAL 44 294 14 047 58 341 34 242 241TOTAL133 556 38 557 172 113 10041941139Erosin de CuencasCapitulo 2SUELOEROSIONPERDIDAS DESUELOSAGRICULTURA EMBALSESTRANSPORTE DESEDIMENTOSCAUCESPRODUCCION DESEDIMENTOSPRACTICAS DECONSERVACIONOBRAS DERETENCINHOMBRECUBIERTAVEGETALLLUVIAOPERACIN DEEMBALSESFACTORESACTIVOSFACTORESPASIVOSCONSECUENCIASACTIVIDADESAFECTADASMEDIDASCUADRO 2.4ORIGEN Y RELACIONES DE LA EROSIONArturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial40ydetencinvadesapareciendoatalpuntoqueeltiempodelabase de los hidrogramas de las crecientes ir reducindose cadavez ms, si no se toman las medidas del caso, con las consecuenciasgravsimas que este hecho ocasiona al desarrollo integral de lacuenca hidrogrfica".Se contina diciendo: "Los ros de la cuenca del Puyango,que no hace mucho tenan descargas importantes, bien repartidasdentro del ao hidrolgico, llegan ahora a tener escasez de aguaenperiodosnotablesdelao,afectandoaregadosyalageneracin de fuerza instalada".De los ejemplos y descripciones arriba mencionados, y demuchos otros que sera largo enumerar, concluimos que la erosinde las cuencas y la destruccin de los suelos es una dolorosa realidadenmuchaspartesdelmundo.Elprocesodedestruccinesconstante, pero cada cierto nmero de aos el fenmeno y susconsecuencias se presentan con gran intensidad. En general, sloentonces se piensa en el problema.La destruccin de suelos es controlable. En cada cuencahay reas crticas que deben ser estudiadas preferentemente. Sedebe realizar intensos trabajos, cuyo aspecto tecnolgico esttotalmente a nuestro alcance desde hace miles de aos. La laborno es, sin embargo, sencilla. Se requiere tiempo, dinero y sobretodo decisin. Hemos gastado miles de millones de dlares enproyectos cuyo xito depende del comportamiento sedimentolgicode sus estructuras hidrulicas. A su vez, la cantidad de sedimentosfluviales depende de la erosin de la cuenca. Este fenmeno debeser controlado.Entre el 11 y el 13 de abril de 1972 se realiz en el Colegiode Ingenieros del Per, un Simposio sobre Deslizamientos(Huaicos)eInundaciones.Estareuninseorigincomoconsecuencia de las avenidas que ese verano haban causado fuertesdaos. Si examinamos ahora las conclusiones que entonces seobtuvieron veremos fcilmente que en lo esencial no han perdidoactualidad y conservan su carcter general. As por ejemplo, seafirma que los huaicos e inundaciones son fenmenos naturales yfrecuentes en el Per, existiendo zonas particularmente propensasen funcin de las caractersticas de los suelos, pendiente, cobertura41Erosin de Cuencas Capitulo 2vegetal y accin del hombre. Las lluvias constituyen el agente activocomn. Entre las conclusiones se seala especficamente que elcentro del pas es una zona particularmente expuesta a huaicos ydeslizamientos.El manejo de cuencas, la proteccin de la cobertura vegetal,la supresin de la accin devastadora del hombre son fundamentalespara la disminucin de estos fenmenos, adems por cierto de larealizacin de obras fsicas de control.Una de las recomendaciones del Simposio de 1972, fuela siguiente: "Se recomienda que los estudios de las cuencasdeben tener como fin el planeamiento integral del desarrollodeestaunidad.Partedelplandebeserelcontroldelosdeslizamientos e inundaciones. El planeamiento integral sehardeacuerdoconlasnecesidadesypotencialidadesexistentesenlacuencayenelpas;yconlosobjetivossociales que se persiguen".Pero debemos ser plenamente conscientes de que una laborde proteccin de cuencas no puede improvisarse. Es una laborlenta y paciente en la que la cuenca debe ser tratada hectrea porhectrea: terrazas, diques, cobertura vegetal, andeneras, tienen quedisponerse segn la realidad de cada parte del terreno.La cuenca debe tratarse como un conjunto armnico. Esun sistema vivo con profunda interaccin entre cada una de suspartes. En el Per, por ejemplo, el problema se viene agravandodesde que se inici hace cientos de aos la destruccin de lacobertura vegetal, y al introducirse elementos exticos se rompiel equilibrio natural de las cuencas. El problema es comn a granparte del rea andina. Sin embargo, estamos invirtiendo en eldesarrollo de proyectos ubicados en cuencas en las que poco onada se hace para prevenir y controlar la erosin.Si no actuamos ahora, el problema ser cada vez peor, laerosin de las cuencas, con la consiguiente prdida de tierras decultivo, destrucciones materiales, agudizacin de estiajes y avenidasylosdaosalasestructurashidrulicas,serincontenibleyhabremos contribuido as a la ruptura definitiva del equilibrioecolgico de las cuencas que son nuestra fuente de vida.Captulo 3 Movilidad Fluvial43Captulo 3Movilidad Fluvial3.1 DefinicionesLa escorrenta superficial se origina en la precipitacin. La lluviapuede producirse en una parte de la cuenca o en toda la cuenca.Esta circunstancia depende de varios factores, entre ellos estel tamao de la cuenca. Pensemos, sin embargo, en el casoextremo: que se produzca una lluvia generalizada sobre toda lacuenca. Este evento no traer un escurrimiento superficialgeneralizado. Por el contrario, el agua tiende a concentrarseen determinados cursos que se van juntando unos a otros yque constituyen finalmente los ros, que es el tema de nuestroestudio.FRIJLINK nos recuerda que un ro puede definirse como"un sistema de canales naturales (cursos de agua) por mediode los cuales se descarga el agua de la cuenca".En el Diccionario de la Lengua Espaola encontramos queel ro se define como "corriente de agua continua y ms o menoscaudalosaquevaadesembocarenotra,enunlagooenelmar". La palabra ro viene del latn rius, rivus : arroyo.Arturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial44El ro es, pues, el elemento de drenaje de la cuenca. Sinembargo, un ro no slo lleva agua sino tambin materiales slidosque provienen de la erosin de la cuenca. En general los ros tienenfondo mvil, aunque no todos, ni siempre.Fondo mvil (o lecho mvil) significa que el lecho del roest constituido por partculas slidas no cohesivas (arena, grava),que estn en movimiento. Para determinadas caractersticas delflujo se ponen en movimiento partculas de un determinado tamao.A los lechos mviles se oponen los lechos rgidos.Las mrgenes, las riberas, los lechos de los ros, estn engeneral compuestos de materiales erosionables. Debe entenderseque dichos materiales son erosionables para determinado caudal ovelocidad de la corriente.Las caractersticas de erosionabilidad y movilidad del lechoy de las mrgenes son en general diferentes. Eventualmente, lasmrgenes pueden ser rgidas y el lecho no.Sedimento es una palabra que tiene diferentes significadosen diferentes ciencias. En Hidrulica Fluvial entendemos porsedimento cualquier material, ms pesado que el agua, que estransportado en algn momento por la corriente y luego depositado.En consecuencia, en Hidrulica Fluvial la palabra sedimentose aplica tanto a una enorme roca, como a una fina partcula dearcilla.En general los sedimentos estn constituidos por materialesno cohesivos, como limos, arenas, gravas y eventualmente piedras.A los sedimentos as entendidos se les denomina slidos.Cuando se estudia un lecho mvil en un modelo hidrulicotienequerepresentarseaescala,tantoelmaterialslidoconstituyente del lecho, como sus caractersticas de movilidad. Enalgunos casos, como cuando la pendiente es pequea, no se puedeusar en el modelo un material slido del mismo peso especficoque el del material slido del ro. Se recurre entonces a lo quealgunos autores llaman una distorsin de pesos especficos, y seusa en el modelo materiales livianos como plsticos, aserrn ocarbn.TantolosmaterialesnaturalescomolosartificialesCaptulo 3 Movilidad Fluvial45mencionados (livianos) son sedimentos. El estudio de la teora deTransporte de Sedimentos nos ensea como efectuar en un modelola reproduccin del material slido correspondiente para que hayasimilitud.Flujo a dos fases, es el movimiento simultneo del agua(fase lquida) y de los slidos constituyentes del lecho (fase slida).Son dos movimientos interdependientes que no deben ser tratadosseparadamente. Siempre que la fuerza de la corriente sea suficientepara poner en movimiento las partculas (sedimentos) constituyentesdel lecho, habr movimiento de fondo.La intensidad y caractersticas del movimiento del materialde fondo depende de las caractersticas del flujo que lo origin. Asu vez, el movimiento del material slido produce alteraciones enel movimiento del agua. Hay un cambio de rugosidad, por ejemplo.En realidad, ms que de rugosidad debera hablarse de resistenciaal escurrimiento.Las dos fases tienen que ser estudiadas conjuntamente. Elestudio de una no puede ignorar la otra. Hay que estudiar lo que sellama el movimiento a dos fases, el fenmeno de dos fases o elfenmeno del transporte.Al estudiar el flujo se supone el movimiento permanente,uniforme, bidimensional de un fluido real (que tiene viscosidad),con una superficie libre y que se debe a la accin de la gravedad.La presencia de formas del fondo (rizos o dunas) puede determinarque en realidad el movimiento sea quasi-uniforme. La pendientede la lnea de energa produce la fuerza que origina el flujo del aguay ste causa el movimiento slido. Se produce as el flujo a dosfases.Flujobidimensional.Enlaactualidadsedisponedefrmulas confiables para la descripcin y anlisis de las ecuacionesde distribucin de velocidades y de corte en el flujo bidimensional.Es por eso que la mayor parte del anlisis terico correspondienteal flujo a dos fases es bidimensional. Debe tenerse en cuenta, sinembargo, que las ecuaciones de distribucin de velocidades paraunflujobidimensionalhansidoestablecidasparaunfluidoArturo Rocha Introduccin a la Hidrulica Fluvial46homogneo (agua limpia, por ejemplo) y que cuando se las aplicaal agua cargada de sedimentos se debe esperar algunos cambios.As por ejemplo,