TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN LOS RIOS Y QUEBRADAS EN PUERTO RICO
El clima, la fisiografía (pendientes), la geología y los suelos en Puerto Rico propician tasas elevadas de erosión y transporte de sedimentos en los ríos y quebradas de la Isla. Las actividades culturales, primordialmente la agricultura y proyectos urbanos (carreteras, urbanizaciones, comercios, e industrias) contribuyen a remover la corteza terrestre (yerbas, plantas y árboles), lo que expone los suelos a la acción del viento y la lluvia (directa o convertida en escorrentía superficial. Contrario a las conclusiones generales de que estas actividades culturales son responsables de toda la erosión y transporte de sedimentos en la Isla, estudios de Simon y otros (USGS, 1990) demuestran que aún en bosques densos como Carite y El Yunque, lluvias intensas sobre suelos saturados en colinas empinadas causan miles de derrumbes induciendo tasas elevadas de erosión y transporte de sedimentos. Estos estudios nos permiten concluir que existe una tasa de erosión y sedimentación natural en Puerto Rico aún cuando la Isla estuviera totalmente cubierta de bosques en forma similar en el tiempo del arribo de Cristóbal Colón en el 1493. No existen dudas de que estas tasas de erosión y transporte de sedimentos hacia los ríos, quebradas, y eventualmente a los estuarios y el mar, aumentan con las actividades urbanas y agrícolas.
Existen datos relativamente abundantes del transporte de sedimentos en los ríos en Puerto Rico. Desde el 1957 el USGS ha tomado muestras de agua y sedimentos suspendidos (SS) en la columna de agua en estaciones misceláneas y permanentes en los ríos principales en la Isla.
- Estas muestras se analizan para determinar la concentración de los SS, la cual, al multiplicarse por el flujo instantáneo (Qi, el cual se mide en pies cúbicos por segundo (pcs) conjuntamente con la toma de las muestras) provee un cálculo de la carga de sedimentos que el río acarrea en un segundo. Si este valor de Qi no cambia durante el día, el cálculo de los SS instantáneos se convierte a libras o toneladas por día (t/d).
- Sin embargo, la mayor parte del año el valor del Qi y la concentración de SS en los ríos en la Isla varía significativamente con la lluvia, aumentando ambos logarítmicamente. Las muestras individuales de SS y las medidas instantáneas de Qi no son representativas del caudal promedio diario del río ni de la descarga total de SS en ese día. Es necesario entonces obtener muestras que representen diferentes valores de Qi y desarrollar una curva de transporte de sedimentos para el punto del río de interés.
- La curva de transporte de sedimentos es una relación matemática entre los valores del flujo Qi y los de SS para el régimen de flujo del río en un punto específico (la estación). Esto requiere medir valores de Qi para el máximo del régimen de flujos del río (mínimos a máximos) y tomar muestras de SS representativas de este régimen de flujo.
Las medidas de Qi se pueden llevar a cabo de dos modos:
- Manualmente midiendo la profundidad del agua (Di) y su velocidad (Vi) en puntos en una sección transversal en la estación. El valor de Qi se obtiene de la suma de las multiplicaciones de las secciones de área (Ai) entre dos puntos de mediciones por el valor de Vi (Qi=Suma (Vi x Ai)).
- En la mayor parte de las estaciones donde el USGS toma muestras de SS se operan instrumentos automáticos que permiten calcular los valores de Qi cada 15 minutos, y los aforos de campo se llevan a cabo para corroborar la relación de flujo y elevación del agua en la estación (denominada la curva de calibración). Estos datos se envían por medio de sensores a las oficinas del USGS y están disponibles en la Internet en la página del USGS
Los valores de Qi de cada 15 minutos se utilizan para calcular la descarga o flujo promedio diario en la estación (Qpd), expresada en pies cúbicos por segundo. Este valor de Qpd multiplicado por los segundos en un día (86,400) provee el volumen de agua en pies cúbicos que fluyó por la estación en ese día en particular. Por ejemplo, un valor de Qpd de un (1) pcs, multiplicado por 86,400 resulta en un volumen de agua de 86,400 pies cúbicos (equivalente a 646,272 galones).
- Las medidas de SS requieren tomar muestras manuales o con instrumentos automáticos.
- Los técnicos del USGS toman muestras manuales de SS en el cauce del río o desde puentes cuando el flujo elevado no permite vadear el cauce. Se utilizan instrumentos especiales diseñados por el Comité Interagencial Federal de Sedimentación, entidad que establece las normas para calcular la cantidad de SS en una estación de un río.
- En estaciones donde se interesa medir la cantidad de SS diaria y anual, se instalan instrumentos automáticos que toman muestras de SS en un punto del río cerca de la estación. Estos instrumentos se calibran con las muestras tomadas manualmente. Ambos tipo de muestras (manuales y automáticas se analizan para la concentración de SS en miligramos por litro (mg/L) o libras por pie cúbico (#/p3). Durante crecientes significativas, las muestras también pueden analizarse para determinar el tamaño de las partículas de SS en suspensión en el agua, lo cual provee información del origen y características físicas de los SS.
La curva de transporte de sedimentos se obtiene en dos pasos:
- Se desarrolla una correlación gráfica entre los valores de Qi y el valor correspondiente de SS al momento de tomar la muestra. UN ejemplo de esta correlación para el Río Gurabo en Gurabo (estación del USGS 50057000) se ilustra en la siguiente figura. Esta correlación nos permite determinar si las muestras de SS son representativas estadísticamente del régimen de flujos en la estación. Esto se determina mediante una regresión matemática en forma de una ecuación. Utilizando Excel, esta regresión se calcula de los valores de Qi y SS. En la figura anterior se ilustra la ecuación de la regresión y el coeficiente de correlación (r2), cuyo valor varía entre 0 y 1.0. Mientras más cercano a 1.0 sea el valor de r2, más representativa estadísticamente es la correlación. Mientras más dispersión exista entre los valores de SS vs Qi, menos representativa es la regresión. En general, para valores de Qi menores de 50 pcs la dispersión es significativa como se ilustra en la figura anterior. Esto se debe a que la cantidad de SS es baja, y los errores de toma de muestras son mayores. A medida que el flujo aumenta, el error se reduce y la dispersión es menor, como se ilustra en la figura. Estudios del USGS han establecido que en ríos donde abunda la arena y grava fina, existen dos correlaciones en la misma estación, una para flujos bajos y la otra para crecientes. La curva de crecientes es la importante debido a que la mayor parte de los SS se transportan cuando el flujo y la velocidad del agua en el cauce aumenta. Como se ilustra más adelante, los flujos mayores de 500 pcs acarrean más del 95 % de los SS.
- A continuación se ilustran varias curvas de transporte de sedimentos en los ríos principales de Puerto Rico generadas con datos de los archivos del USGS, incluyendo luego del paso del huracán María sobre la isla el 20 de septiembre de 2017.
Finalmente, utilizando los datos se analizan para obtener un valor promedio diario de SS y Qi (proporcional al flujo si es necesario cuando este varía durante el día), resultando en la curva de transporte de sedimentos, donde se correlaciona gráficamente la descarga diaria de SS (en t/d) versus el Qpm en la estación, como se ilustra en la siguiente figura. Se obtiene entonces una regresión matemática que correlacione estos valores, incluyendo determinar el valor del coeficiente de correlación (r2). La ecuación puede entonces utilizarse para calcular los valores diarios de SS aún en los días que no se tomen muestras, y la descarga anual de SS en la estación. Estos datos son de gran importancia para el diseño de represas, tomas de agua, canales, y lagunas de retención. Además, proveen un índice de la tasa de erosión en la cuenca aguas arriba de la estación.
Recursos de Agua de Puerto Rico
Sedimentación : Página 2: Procedimientos para Calcular el Transporte de Sedimentos en los Rios de Puerto Rico
