Ingeniero Civil / El lecho de grava en un río puede ser contaminado por partículas de sedimento fino, por ejemplo, en situaciones donde el material fino es liberado de un embalse a través de procesos como el dragado de sedimentos u otros. Procesos de este tipo tienen por finalidad aumentar la capacidad y vida útil del embalse, mejorar las condiciones ambientales de éste, así como reducir las inestabilidades producidas en el río aguas abajo. Sin embargo este proceso es perjudicial para los ecosistemas aguas abajo de la obra, ya que produce la depositación de sedimento fino en los espacios de poros del lecho, modificando el estado natural de este. El proceso de transporte del sedimento liberado se puede generar a través de suspensión o como arrastre de fondo. El objetivo de este estudio es recrear experimentalmente los fenómenos que afectan a sistemas fluviales de este tipo, en particular estudiar el fenómeno del gasto solido de fondo de sedimentos finos sobre un lecho de grava y como se ven afectados ciertos parámetros asociados a la velocidad del flujo. Para investigar el fenómeno se llevó a cabo un estudio experimental en el laboratorio de Hidráulica Francisco Javier Domínguez, ubicado en el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile. Allí se cuenta con un canal de acrílico de sección cuadrada de 30 cm y un largo de 12 m; una tolva ubicada al inicio del canal que contiene sedimento fino (arena) y una trampa de sedimentos localizada al término del canal. Dentro del canal se dispone de un lecho de grava cuyo diámetro medio es de 45 mm. La acción de la tolva permite insertar sedimento fino de diámetro medio 0,45 mm, hacia el interior del canal. Por otro lado, la trampa de sedimento posibilita la cuantificación del arrastre solido de fondo. La posición de la arena con respecto a la grava se registró a través de un arreglo de cámaras fotográficas localizadas longitudinalmente, mientras que la velocidad del flujo en la zona fotografiada se midió con un Acoustic Doppler Velocimeter (ADV). Resultados derivados de las mediciones de la velocidad del flujo muestran que la intensidad de la turbulencia presenta un comportamiento concordante con las predicciones realizadas por Nezu and Nakagawa (1993). Además se aprecia como el aumento de la exposición de la arena es inversamente proporcional a la intensidad del esfuerzo de corte de Reynolds. Por último, se desarrolla una expresión que permite predecir el gasto sólido de fondo del sedimento fino sobre un lecho de grava inmóvil, en función del esfuerzo de corte de fondo y la exposición de la arena, mostrando una mejora en la precisión con respecto al empleo de las relaciones clásicas para granulometría uniforme como las obtenidas en los estudios de Meyer-Peter y Müller (1948); Frank and Jorgen (1976); Ashida (1972).

Usualmente la producción de sedimentos en suspensión (Qss) de un río es calculada utilizando datos de caudales medios diarios o mensuales. Considerando que la mayor Qss ocurre durante los eventos de lluvias y también que los caudales medios no son capaces de representar adecuadamente los máximos caudales, principalmente en zonas de alta variabilidad climática, la forma usual de cálculo de Qss puede subestimar esta producción. En este sentido, esta investigación buscó analizar la influencia de la variabilidad temporal de los datos de caudales en el cálculo de la producción de sedimentos. Adicionalmente fue analizada el uso de diferentes tipos de curvas de sedimentos: (i) para todo el periodo de estudio, (ii) por años hidrológicos y (iii) asociación por épocas características (húmedas, semi-húmedas y secas). El estudio fue realizado en la subcuenca del río Torata, ubicada en una zona semiárida al sur del Perú, entre 2100 y 5200 m de altitud con pendiente promedio de 21.0% y alta variabilidad climática, en especial la precipitación que se ve reflejado en los caudales, ya que en un lapso de horas puede variar de 4 a 34 m3/s. El error entre la descarga prevista y estimada para el periodo de estudio (2001-2012) utilizando los diferentes tipos de curvas fue (i) -65.85%, (ii) -15.36% y (iii) -8.74%, presentando mejora en el coeficiente de eficiencia de Nash-Sutcliffe de 0.248 para 0.500. Los resultados mostraron que la diferencia entre la descarga de sedimentos en suspensión total para el periodo calculado con caudales medias mensuales y diarias fue de -92% y -62%, ambos en comparación de producción para valores medios horarios. También fue constatado que el 99.7% de la producción de sedimentos ocurre en temporada de lluvias, inclusive, un único evento de lluvia llegó a producir 80% de la producción anual. Los resultados de esta investigación ponen en manifiesto la importancia de utilizar registros de caudales con escalas pequeñas de tiempo (minutos, horas), que puedan representar la alta variabilidad de los caudales característicos de zonas semiáridas. / The usual methods that calculate the suspended sediment flux (Qss) of rivers employ discharge mean values daily or monthly. As most of the sediments are transported during overflow events and a mean value smooths the flood peak discharge, mainly in high climatic variability areas, the usual method to evaluate the Qss might underestimate the production of river sediments. This paper reports on an analysis of the gauge influence of temporal variability on the sediment yield estimation. Additionally, the use of different types of sediment rate curves was analyzed for (i) the whole time-series data, (ii) per hydrological year, and (iii) per hydrological pattern characterization (flood, intermediary and drought). A study case was conducted in the Torata river sub-catchment, a Peruvian semi-arid area located between altitudes of 2100 and 5200 meters and whose average slope is 21%. The high climatic variability is expressed by the huge river flow amplitude, which ranges from 4 to 34 m3/s in a few hours. The errors for the sediment yield from 2001 to 2012 estimated by the different sediment rating curves were (i) -65,85%, (ii) -15,36% and (iii) -8,74%, with a 0,248 to 0,500 Nash-Sutcliffe efficiency coefficient improvement. The differences between the sediment yield in total suspension for the period calculated monthly and daily were -92% y and -62%, respectively, in comparison with the production for hourly average values. Results show that 99,7% of the sediment are produced during the flood season and a single overflow event could represent 80% of the annual sediment discharge flow. This research highlights the importance of collecting and using discharge data of a short time interval (minutes or hours) to compute and represent the overflow peaks typical of semiarid regions.

Usualmente la producción de sedimentos en suspensión (Qss) de un río es calculada utilizando datos de caudales medios diarios o mensuales. Considerando que la mayor Qss ocurre durante los eventos de lluvias y también que los caudales medios no son capaces de representar adecuadamente los máximos caudales, principalmente en zonas de alta variabilidad climática, la forma usual de cálculo de Qss puede subestimar esta producción. En este sentido, esta investigación buscó analizar la influencia de la variabilidad temporal de los datos de caudales en el cálculo de la producción de sedimentos. Adicionalmente fue analizada el uso de diferentes tipos de curvas de sedimentos: (i) para todo el periodo de estudio, (ii) por años hidrológicos y (iii) asociación por épocas características (húmedas, semi-húmedas y secas). El estudio fue realizado en la subcuenca del río Torata, ubicada en una zona semiárida al sur del Perú, entre 2100 y 5200 m de altitud con pendiente promedio de 21.0% y alta variabilidad climática, en especial la precipitación que se ve reflejado en los caudales, ya que en un lapso de horas puede variar de 4 a 34 m3/s. El error entre la descarga prevista y estimada para el periodo de estudio (2001-2012) utilizando los diferentes tipos de curvas fue (i) -65.85%, (ii) -15.36% y (iii) -8.74%, presentando mejora en el coeficiente de eficiencia de Nash-Sutcliffe de 0.248 para 0.500. Los resultados mostraron que la diferencia entre la descarga de sedimentos en suspensión total para el periodo calculado con caudales medias mensuales y diarias fue de -92% y -62%, ambos en comparación de producción para valores medios horarios. También fue constatado que el 99.7% de la producción de sedimentos ocurre en temporada de lluvias, inclusive, un único evento de lluvia llegó a producir 80% de la producción anual. Los resultados de esta investigación ponen en manifiesto la importancia de utilizar registros de caudales con escalas pequeñas de tiempo (minutos, horas), que puedan representar la alta variabilidad de los caudales característicos de zonas semiáridas. / The usual methods that calculate the suspended sediment flux (Qss) of rivers employ discharge mean values daily or monthly. As most of the sediments are transported during overflow events and a mean value smooths the flood peak discharge, mainly in high climatic variability areas, the usual method to evaluate the Qss might underestimate the production of river sediments. This paper reports on an analysis of the gauge influence of temporal variability on the sediment yield estimation. Additionally, the use of different types of sediment rate curves was analyzed for (i) the whole time-series data, (ii) per hydrological year, and (iii) per hydrological pattern characterization (flood, intermediary and drought). A study case was conducted in the Torata river sub-catchment, a Peruvian semi-arid area located between altitudes of 2100 and 5200 meters and whose average slope is 21%. The high climatic variability is expressed by the huge river flow amplitude, which ranges from 4 to 34 m3/s in a few hours. The errors for the sediment yield from 2001 to 2012 estimated by the different sediment rating curves were (i) -65,85%, (ii) -15,36% and (iii) -8,74%, with a 0,248 to 0,500 Nash-Sutcliffe efficiency coefficient improvement. The differences between the sediment yield in total suspension for the period calculated monthly and daily were -92% y and -62%, respectively, in comparison with the production for hourly average values. Results show that 99,7% of the sediment are produced during the flood season and a single overflow event could represent 80% of the annual sediment discharge flow. This research highlights the importance of collecting and using discharge data of a short time interval (minutes or hours) to compute and represent the overflow peaks typical of semiarid regions.