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Ricardo Schmalbach R

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Ricardo Schmalbach tiene como vocación el cuidado del ambiente, buscando siempre soluciones creativas e innovadoras, comprometidas con una ambiente sano. Es un Biólogo Marino con 24 años de experiencia en el control de erosión en costas y riberas. Preocupado por motivar a la acción para preservar el ambiente informa en esta página sobre los estudios y preocupaciones de los asociados a IECAIberoamerica

URL del sitio web:

Autor: Virginia Alvarado García

Vicerrectoría de Investigación, Universidad Estatal a Distancia

San José, Costa Rica Tel.  506-8811-4492

I. Presentación

Debido a la amenaza que conlleva la pérdida de suelo, se han establecido nuevas tecnologías para mitigar los efectos de la erosión y mejorar la calidad ambiental de los ecosistemas; para lo cual se han utilizado plantas como estructuras de sostén y refuerzo en los terrenos (Laporte y Porras, 2002: 2). El establecimiento de coberturas vegetales constituye una práctica fácil y positiva a la salud del suelo, no solo por su baja inversión, sino por ser una alternativa eficiente en la conservación de éste (Zwart et al. 2005: 18).

Costa Rica no cuenta con criterios técnicos sólidos que demuestren que una especie vegetal realmente protege y refuerza el suelo de forma adecuada. La información existente en cuanto a la biología y ecología de las especies vegetales es incompleta, dispersa o inaccesible (Porras, 2000: 14); sin embargo, ya se perfilan algunos esfuerzos por documentar estas carencias Sancho y Cervantes, 1997: 114, Laporte y Porras, 2002: 14, Zwart et al. 2005: 19), y sobre todo en las ciudades (Alvarado et al. 2013: 3).

El común denominador de los ríos urbanos del país se centra en problemas de inestabilidad de taludes, erosión, compactación del suelo, deforestación e invasión de la zona de protección; por lo que surge la necesidad de abordar estas temáticas de forma integral y con alternativas más sustentables. Con esta investigación se pretende no solo estudiar qué plantas funcionan como factor de control; sino proponer y recomendar especies que representen un valor agregado al ecosistema y den soporte a la foresta urbana.

 

II. Objetivos

Determinar el potencial de especies vegetales nativas para el control de la erosión en taludes de la microcuenca urbana del río Torres; así como su función en la retención de sedimentos y su potencial ecológico en ecosistemas degradados.

Objetivos específicos

 Cuantificar la retención de sedimentos en especies herbáceas y arbustivas, mediante el uso de parcelas de erosión modificadas.

 Evaluar el porcentaje de sobrevivencia de las especies vegetales sembradas

 Recomendar especies vegetales nativas con mayor potencial de uso para los procesos de erosión y restauración ecológica.

III. Marco teórico

Las principales variables que intervienen en los procesos erosivos son la vegetación, el clima, la topografía, el tipo y uso del suelo. De ellas, la falta de cobertura vegetal es una de las causas más influyentes en los problemas de degradación de los terrenos (Suarez, 2001: 253).

La vegetación incrementa la protección del suelo, frena la escorrentía y facilita la infiltración. Los componentes radiculares contribuyen a aumentar la resistencia mecánica del suelo, y la presencia de materia orgánica, ofrece estabilidad, rugosidad y porosidad, lo que supone un aumento en la capacidad de infiltración (Bochet y García, 2004: 170).

El establecimiento de una capa protectora compuesta por especies nativas, que desarrollen una comunidad sucesora uniforme, es básico para la rehabilitación de áreas degradadas (Rondón y Vidal 2005: 67). Es fundamental el uso de plantas autóctonas ya que están bien adaptadas al medio, son atractivas (follaje y flor), desarrollan un sistema de raíces extensivo, son excelentes para la vida silvestre propia del lugar y no requieren mucho mantenimiento (Alvarado et al. 2013: 51).

Según Morgan (2005: 60), la efectividad de la vegetación para disminuir la erosión depende directamente de la altura, continuidad y densidad de las especies vegetales; sin embargo, también depende de las características del lugar y de las especies a utilizar (Alvarado et al. 2013: 50).

En suelos con predominancia de arenas, es preferible el uso de herbáceas de macolla; mientras que en suelos arcillosos, especies rizomatosas. Una vez establecida la vegetación del terreno, de debe introducir una variedad de especies leñosas con tasa diferente de crecimiento y tamaño (Rondón y Vidal 2005: 68), para formar estratos y mejorar su funcionalidad.

La sobrevivencia y el crecimiento de las especies vegetales es impredecible, ambas están relacionados con las variables fisicoquímicas del suelo, la calidad del material de plantación, las técnicas de siembra, las condiciones de deterioro del sitio y la ausencia o exceso de precipitaciones que enfrentan las plantas durante el proceso de estabilización y adaptación. El estrés es determinante, puesto que hay especies capaces de soportar condiciones adversas, pero tienen tasas de crecimiento más bajas; por el contrario, especies competitivas consiguen mayor productividad en condiciones favorables (Villar, 2011: 196).

Desde el punto de vista práctico, ético y económico, estas alternativas son más sustentables y van en armonía con el ambiente; sin embargo, se deben considerar las mejores especies que logren adaptarse, colonizar y ser exitosas para las condiciones que se tengan.

IV. Antecedentes o estado de la investigación

En Costa Rica hasta hace poco más de dos décadas, se ha trabajado en proyectos que involucren el componente ambiental dentro de las ciudades. Estos se han enfocado en el mejoramiento de la calidad del ecosistema urbano mediante proyectos de foresta urbana (Conejero y Sallent, 2011: 10). El más reciente fue la reforestación del Parque Metropolitano La Sabana con especies endémicas, para poder convertirlo poco a poco en un bosque tropical urbano (Mendoza, 2012: 1).

Otra iniciativa ha sido el establecimiento de corredores fluviales verdes interurbanos en las provincias de San José (Feoli, 2013: 54) y Heredia (Romero et al. 2011: 44), los cuales permiten un aumento en la cobertura vegetal y la biodiversidad a través de una trama verde continua (Feoli, 2013: 53). A pesar de ello, no se ha considerado la revegetación, como una estrategia de restauración ecológica y conectividad de la red natural urbana.

Un primer acercamiento se realizó en el 2011, en donde se enlistaron más de 50 especies nativas con potencial para el control de la erosión para ríos urbanos y además, se evaluó la retención de sedimentos mediante el uso de tres especies vegetales. Se demostró que las plantas nativas son más eficientes que las exóticas y además, poseen un valor ecológico agregado (Alvarado et al. 2013: 52).

V. Aspectos metodológicos

1. Área de estudio

El estudio se realizó en el Valle Central, la región más densamente poblada del país, caracterizada por un clima tropical de altura, entre Bosque muy Húmedo Montano Bajo, Bosque muy Húmedo Premontano y Bosque Húmedo Premontano (Holdridge 1967: 2). La microcuenca del río Torres nace en Rancho Redondo y desemboca en la subcuenca del río Virilla, sector de la Carpio. La altitud máxima alcanza los 2040 ms.n.m. y la mínima los 900 ms.n.m; mientras que la precipitación oscila entre los 3000 mm a 2000 mm anuales.

Se trabajó en tres zonas representativas del río: a) parte alta - Liceo de Mata de Plátano (9.955862° N -84.018402° O), b) parte media - Parque Los Conejos (9.944474° N -84.113457° O), y c) parte baja - Planta Electriona (9.969228° N -84.177598° O) (Fig. 1).

 

2. Selección de especies vegetales

Se identificaron todas las especies vegetales cercanas al río y se seleccionaron seis plantas que cumplen con diversos criterios como: especie nativa, hábito herbáceo/arbustivo, sistema radicular profundo y fasciculado, densa cobertura (follaje), tolerancia a condiciones desfavorables, rápida propagación y reproducción asexual.

Las especies fueron: Lasianthaea fruticosa (L.) K.M. Becker (margarita de monte), Hamelia patens Jacq. coralillo), Cestrum nocturnum L. (zorrillo), Dahlia imperialis Roezl ex Ortgies (catalina), Tradescantia zanonia (L.) Sw. (canutillo) y Heliconia tortuosa Griggs (platanilla).

  

 

3. Establecimiento de parcelas y siembra    

En cada zona representativa y en laderas con pendiente entre 40 y 50°, se instalaron ocho parcelas rectangulares de 4 x 2 m delimitadas con fibras de geotextil sin tejer (GT160 de 200 gr/m2) insertadas en el suelo unos 10 cm y a una altura de 30 cm sobre el suelo, a fin de evitar pérdidas de sedimentos. En la base de cada parcela se colocó una trampa de sedimentos con un geotextil tejido de alto módulo tipo Silt fence MacTex W2 40.

Para la siembra, se utilizó un sistema de plantación triangular o tresbolillo, en el cual las plantas se colocan a distancias iguales formando triángulos. En el caso de los arbustos, se enterraron estacas a una profundidad mínima de 20 cm, dejando 30 cm por encima del suelo; en el caso de las herbáceas se plantaron macollas o brotes originados en la base de las planta madre con medidas similares a las estacas de los arbustos.

Se establecieron ocho tratamientos (Cuadro 1); en cada tratamiento vegetal se sembraron 14 plantas separadas entre sí 80 cm. La siembra se realizó en el mes de mayo de 2015, en la transición de época seca a época lluviosa.

 

 

 

 

4. Análisis de suelo y precipitación

Se recolectaron muestras de suelo en cada sitio, a una profundidad de 20 cm para el análisis de textura, densidad aparente, densidad de partículas, conductividad hidráulica, porosidad, pH, acidez, materia orgánica, capacidad de intercambio catiónico (CICE), macro y micronutrientes. El análisis se llevó a cabo en el Centro de Investigaciones Agronómicas de la Universidad de Costa Rica (CIA-UCR). Adicionalmente, se tomaron datos in situ de compactación del suelo (kg/cm2) mediante un penetrómetro de mano.

Los datos de precipitación diaria fueron suministrados por el Instituto Meteorológico Nacional (IMN) y el Instituto Costarricense de Electricidad (ICE). Las estaciones meteorológicas utilizadas fueron: CIGEFI, Aranjuez, Tobías Bolaños y Sabana Norte.

5. Recolección de sedimentos

A partir de la metodología de Castillo, M. (2012: 47) y Alvarado et al. (2013: 46), los sedimentos retenidos en las trampas fueron recolectados en horas de la mañana y pesados in situ con una balanza de 10 kg ± 25 g. Posteriormente, fueron secados en un horno a 105°C, y finalmente pesados en una balanza analítica. La tasa de erosión se cuantificó a partir de la producción de sedimentos durante seis meses (julio a diciembre del 2015).

 

 

 

6. Sobrevivencia

El porcentaje de sobrevivencia se calculó por presencia/ausencia de estacas o macollas en cada parcela. En el caso de que las plántulas no presentaran hojas, se hizo un leve raspado en el tallo para constatar que estuvieran vivas (color verde) o muertas (color café). Esto se hizo durante siete meses (junio a diciembre del 2015).

Para determinar diferencias entre la retención de sedimentos en tratamientos vegetales y el control, se corrió un análisis de varianza no paramétrica (Kruskall Wallis); asimismo, para evaluar la producción de sedimentos y el porcentaje de sobrevivencia en los tratamientos vegetales se utilizó un modelo lineal generalizado con distribución de Poisson. Ambos en el programa R commander. Además, se realizó un análisis de similitud en el programa Past 2.17c para evaluar la semejanza entre los tratamientos aplicados.

 

 

VI. Resultados

En términos generales, las propiedades físicas y químicas del suelo se encuentran dentro de los niveles óptimos, exceptuando la conductividad hidráulica, que es alta en el Electriona y baja en Conejos. La textura tuvo predominancia de arenas en los tres sitios, con presencia de poros grandes; sin embargo, la compactación fue mayor en la zona media y baja (Cuadro 2).

El intercambio catiónico es un indicador del potencial del suelo para retener e intercambiar nutrientes y está relacionado con las arcillas y la materia orgánica, las cuales tienen carga negativa; en este caso, los tres sitios presentan valores similares de partículas finas, pero no así de materia orgánica.

 

Los meses más lluviosos fueron setiembre, octubre y noviembre, donde Mata de Plátano registró la precipitación más alta de los tres sitios. Por su parte, diciembre registró menos lluvias en todos los sitios (Cuadro 3).

 

Los valores de intensidad fueron similares en los tres sitios; la parte media presentó levemente una minoría. Se registraron intensidades promedio por encima de 0.50 mm h-1 únicamente en octubre; el resto de meses osciló entre los 0.03 y 0.38 mm h-1 Los valores de intensidad máxima fueron similares en los meses más lluviosos, donde octubre presentó el día con mayor intensidad de lluvia (Cuadro 4).

  

La producción de sedimentos fue variable en los tres sitios, siendo Conejos el lugar con mayor registro de sedimentos. En la parte alta y baja se registraron tasas de erosión por debajo de los 12 kg/ha, en tanto que en la parte media, este valor fue triplicado (Cuadro 5).

El análisis de varianza evidenció que no existen diferencias significativas entre los tratamientos vegetales y el control (KW = 23, gl = 23, p > 0.05); sin embargo, sí las hay entre los tratamientos vegetales (AIC = 267.3, gl = 20, p < 0.05).

De todos los tratamientos y en los tres sitios, las parcelas sembradas con H. patens y T. zanonia, registraron menos tasa de erosión. Para la parte media, D. imperialis fue la más eficiente en comparación a las otras cinco especies.

El orden de efectividad vegetal en el sector de Mata de Plátano fue: 7 > 6 > 8 > 3 > 5 > 4 > 2. Hay dos agrupaciones, en una hay predominancia de arbustos y en la otra, herbáceas. En este sitio los arbustos tuvieron mayor éxito (Fig. 3).

 

El orden de efectividad vegetal en el sector de Conejos fue: 8 > 4 > 7 > 6 > 2 > 3 > 5. Hay tres agrupaciones claramente representadas; sin embargo, en este sitio las herbáceas tuvieron mayor éxito (Fig. 4).

 

El orden de efectividad vegetal en el sector de Electriona fue: 6 > 7 > 3 > 5 > 2 > 4 > 8. Hay dos agrupaciones, una está dominada por herbáceas y la otra por arbustos; sin embargo, en este sitio los arbustos tuvieron mayor éxito (Fig. 5).

 

En cuanto a la sobrevivencia, la parte alta y media mostraron un porcentaje mayor, respecto a la baja (Cuadro 6), lo cual indica mayor capacidad de adaptación, crecimiento aéreo y radicular.

 

 

 

 

En la parte alta, D. imperialis registró el mayor porcentaje de sobrevivencia y fue altamente significativa con respecto al resto (AIC = 165.13, gl = 20, p < 0.05). En la parte media se registró diferencias en H. tortuosa (AIC = 165.13, gl = 20, p < 0.05), T. zanonia (AIC = 165.13, gl = 20, p < 0.05) y C. nocturnum (AIC = 165.13, gl = 20, p < 0.05). En la parte baja, las diferencias se observaron en H. patens (AIC = 165.13, gl = 20, p < 0.05), L. fruticosa (AIC = 165.13, gl = 20, p < 0.05) y C. nocturnum (AIC = 165.13, gl = 20, p < 0.05).

VII. Bibliografía

ALVARADO, V., T. Bermúdez, M. Romero & L. Piedra. Evaluación de la revegetación para el control de la erosión laminar en taludes de la Microcuenca del Río Pirro, Costa Rica. Tesis de Licenciatura. Universidad Nacional, Costa Rica. 2013. 74p.

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CASTILLO, M. Determinación y cuantificación de la tasa de erosión en un ciclo del cultivo de papa en la zona de Pacayas de Alvarado, Cartago. Tesis de Licenciatura. Universidad de Costa Rica, Costa Rica. 2012. 150p.

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ZWART, M., J. Rojo, R. de la Cruz & J. Yeomans. “Coberturas y la salud del suelo”. Tierra tropical 1(1): 9-20. Earth, Limón, Costa Rica. 2005. 12p.

VIII. Aportes de la investigación a la toma de decisiones

Para asegurar el éxito de las especies nativas en cuanto a control de erosión y restauración ecológica, es necesario conocer los atributos fisiológicos, morfológicos y botánicos de las especies que determinan su respuesta. Asimismo, es importante evaluar los factores como la intensidad de perturbación y condiciones ambientales del sitio.

El hecho de que muchas especies no hayan sido tan exitosas se debió principalmente a la heterogeneidad de las precipitaciones. A pesar de que se sembró a inicios de la época lluviosa, el clima fue atípico. Esto ocasionó que el material vegetativo entrara en un proceso de pudrición, principalmente en L. fruticosa y que se perdieran plantas en varias parcelas, lo que aumentó su tasa de erosión.

De las herbáceas, la que presentó mayor sobrevivencia y menor tasa de erosión fue T. zanonia; de los arbustos, fue H. patens. Esto puede ser de gran utilidad para recomendar y poner a prueba, una asociación multiestratificada de especies con múltiples usos. Dado que el sitio de estudio es un río urbano y se pretende convertirlo en un corredor fluvial verde, estas especies serían fundamentales desde el punto de vista estructural, ambiental y económico.

El uso de plantas herbáceas y arbustivas para la conservación del suelo y del agua, es una buena estrategia, en comparación a los árboles, debido principalmente a sus bondades en rusticidad, crecimiento en altura, producción de biomasa y usos como forraje, alimento de fauna y conectividad con otros fragmentos de vegetación cercanos.

Esta línea base de investigación relacionada al control de erosión, restauración ecológica y foresta urbana debe ser un tema de interés y de estudio, ya que existe poca información y un gran vacío. La microcuenca del Torres y demás ríos urbanos de la región central de Costa Rica, albergan gran cantidad de vegetación riparia, que podría aprovecharse para estos fines, sin mayor costo económico y con gran potencial socio ambiental.

IX. Aportes de la investigación a los temas de la región

La erosión es un problema casi irreversible en muchos lugares del planeta; es un proceso necesario pero acelerado. Se han propuesto diversas prácticas para su control y muchas han sido exitosas. El uso de plantas y sobretodo, especies nativas, es una alternativa de manejo excepcional, por los muchos beneficios que ésta aporta al ecosistema en general.

El uso de una cubierta vegetal con especies pioneras de herbáceas y arbustos nativos, como estrategia de restauración ecológica y foresta urbana, constituye una herramienta integral, pues permite mejorar las condiciones mecánicas, hidráulicas y ambientales del sitio de estudio, y actúa como barrera viva contra la erosión.

Por lo anterior, esta investigación muestra la relación de la estructura de las comunidades vegetales de la microcuenca del río Torres y sus propiedades funcionales, evidenciando la relevancia de las asociaciones entre la composición florística y la capacidad de infiltración del suelo, así como el mejoramiento paisajístico.

 

No obstante, debido al carácter descriptivo y exploratorio de estos resultados, queda abierta la necesidad de nuevos estudios orientados a validar el potencial de estas y otras especies como factor de control de la erosión y restauración ecológica en otras zonas del país, bajo condiciones climáticas y topográficas diferentes.

Autor:                        Juan Carlos Fuentes

                                   Instituto Nacional de Electrificación

                                  

 

1.  Presentación

Derivado del comportamiento del escurrimiento superficial y el arrastre de sedimentos en la subcuenca del río Aguacapa, surge la idea de estimar el impacto de la variabilidad de la lluvia sobre estos componentes. Cabe mencionar la importancia a nivel nacional de los recursos hidráulicos en dicha subcuenca, dado el actual aprovechamiento en generación de energía eléctrica, en al menos 100 MW como potencia instalada, de los cuales 90 corresponden a la planta hidroeléctrica del mismo nombre, propiedad del Instituto Nacional de Electrificación, ente estatal interesado en este proyecto. La subcuenca del río Aguacapa posee un área de 608 km2, perteneciente a la cuenca del río Maria Linda, ubicada en la vertiente del océano Pacífico, patrón de drenaje predominante dentritico, suelos permeables a muy permeables dada las condiciones geológicas y uso agrícola, agroforestal y forestal principalmente. El régimen de lluvias se estima en 2,275 milímetros anuales, el cual se monitorea a través de una red compuesta por 5 estaciones meteorológicas convencionales, las que poseen longitudes de registros considerables de al menos 33 años, que comprende de 1983-2016, período que permite realizar análisis e interpretación del comportamiento y variabilidad de los elementos del clima, principalmente la lluvia. En cuanto a la red de estaciones hidrométricas, actualmente se dispone de 2 estaciones, de la cual la estación en estudio posee una longitud de registro considerable, dividida en dos períodos que comprenden de 1962-1982 y 2002-2016, con longitudes de 20 y 14 años respectivamente. La variabilidad de la lluvia se estimó mediante técnicas estadísticas avanzadas, partiendo del principio de que la lluvia media anual tiende a comportarse de acuerdo a una distribución teórica de frecuencia Normal o Gaussiana, aplicado tanto a lluvias medias como a caudales medios anuales. En tal sentido, se realizó el análisis de los hietogramas de lluvia diaria, mensual, anual y máxima, tanto en láminas con en días de lluvia, con su respectiva tendencia. El mismo análisis se realizó para las series de caudales anuales, en este caso se aplicó la distribución de Weibull para estimar el impacto sobre los caudales mínimos, adicionalmente, se aplicó la ecuación de Tucci (2002), para estimar el impacto de la variabilidad de la lluvia sobre el escurrimiento superficial y en este caso, también se aplicó a la serie de caudales sólidos (sedimentos en suspensión) que comprende los mismos períodos. Los resultados obtenidos para el caso del escurrimiento superficial, una tendencia positiva en caudales máximos y una tendencia negativa en caudales mínimos, ambas tendencias estadísticamente significativas, esto implica un aumento considerable en el coeficiente de abatimiento de humedad del suelo, principalmente en la época seca, donde los efectos serán más notorios, aunado aún más al fenómeno de persistencia. Caso similar se estimó para el caudal sólido, esto vinculado directamente al proceso de erosión en la cuenca, producto del cambio de uso de la tierra, la cual trae consigo efectos directos en el aumento del escurrimiento superficial directo (principalmente en eventos extremos) y disminución del flujo base (reflejado en un aumento del coeficiente de abatimiento de humedad del suelo). El estudio va orientado al fortalecimiento de la red de monitoreo meteorológico e hidrométrico, así como a la identificación de áreas prioritarias para la implementación de prácticas destinadas al control de la erosión a mediano plazo, y de esta manera garantizar la sostenibilidad de los recursos hidráulicos y disminuir las tasas de erosión en la subcuenca.

 

2.  Objetivos del Trabajo

ü  Evaluar la densidad de la red de estaciones meteorológicas y las características de las series pluviométricas.

ü  Asociar la variabilidad hidrometeorológica al abatimiento de caudales.

ü  Estimar la evolución en el cambio de uso de la tierra y el impacto en el régimen hidrológico.

ü   

 

3.  Marco Teórico

3.1  El ciclo hidrológico

 

 

 

El ciclo hidrológico y la cuenca hidrográfica constituyen respectivamente el concepto y unidad fundamental de estudio de la hidrología. El ciclo hidrológico comprende las fases y procesos del agua en la superficie terrestre, comprender tanto sus cambios de estado como las interacciones que existen en la atmósfera, litósfera y la biósfera.

 

El ciclo hidrológico se define como “aquel que describe la circulación del agua en la atmósfera, suelo y subsuelo en sus distintas fases, como todo ciclo cerrado no tiene principio ni fin y su descripción puede comenzar en cualquiera de sus elementos, por ejemplo en la precipitación”, (NANIA, Leonardo & GÓMEZ, Manuel. 2006: 13)

 

En el caso de las cuencas, pueden clasificarse en cuanto a la ocurrencia del agua, como hidrográficas e hidrogeológicas, además, con base al sistema de drenaje superficial, como endorreicas y exorreicas. Cabe mencionar, que actualmente las cuencas pueden clasificarse también como urbanas y no urbanas.

 

La variabilidad del clima, se refiere a las variaciones en el estado medio y otras estadísticas del clima, en todas las escalas espaciales y temporales más allá de fenómenos meteorológicos individuales. La variabilidad puede ser debido a procesos internos naturales dentro del sistema climático (interna) o a las variaciones naturales o antropogénicas (externa). La variabilidad climática expone a menudo patrones espaciales conectados a las interacciones entre la circulación atmosférica y las superficies terrestres y oceánicas (KRASOVSKAIA, I. 2010).

 

3.2  Variabilidad

La variabilidad climática es entendida como las variaciones del clima en función de las condiciones naturales del globo terrestre y de sus interacciones, mientras que la variabilidad hidrológica se efectiviza cuando ocurren alteraciones sobre las principales entradas y/o salidas de un sistema hidrológico, es decir, sobre la precipitación, la evapotranspiración y/o los caudales (BERTONI, J. 2010: 7).

 

3.3  Series de tiempo

Constituyen conjuntos de variables, en este caso, hidrológicas o meteorológicas, medidas de forma continua en unidades definidas de tiempo. Algunas propiedades de las series de tiempo, son la longitud, completación, independencia, homogeneidad y tendencia.

 

Resalta la importancia de las redes de monitoreo hidrológico y meteorológico, en la generación de series de tiempo, tanto en su longitud como en su calidad. Las redes de monitoreo se pueden evaluar con base a la densidad (estaciones/km2) y a la variabilidad. Además, las series pueden ser normales o extremas, en el caso de series normales se hace referencia a lluvias anuales, temperaturas anuales, mientras que para el caso de series extremas, se hace referencia a eventos máximos y mínimos. Para el caso de hidrología, los eventos máximos más usuales son lluvias intensas y crecidas, mientras que para eventos mínimos, caudales mínimos.

 

3.4  Abatimiento

El abatimiento consiste en el descenso de la humedad del suelo, como flujo subsuperficial o como flujo base. Puede expresarse como Q = Qoe-k(t-to), siguiendo un comportamiento exponencial (MONSALVE, Saézn. 1999:325)

 

4.  Antecedentes o Estado de la Investigación

La presente investigación se encuentra en una fase inicial, de caracterización biofísica de la cuenca, evaluación de la red de monitoreo meteorológico y de las series de tiempo generadas, y del régimen hidrológico. Resaltan, algunos estudios relacionados a hidrología aplicada, en la subcuenca del río Aguacapa, los cuales en su orden cronológico, son los siguientes:

 

ü  Comisión Nacional de Energía Eléctrica (2015). Impactos de usos de suelos y oportunidades de restauración en cuencas hidroeléctricas.

ü  Viana, J. (2008). Evaluación y propuesta de un sistema de alerta temprana en la parte baja de la cuenca del río María Linda.

ü  Santos, G. (2002). Utilización de modelos para evaluar la tendencia de la escorrentía superficial en la cuenca del río Aguacapa, tomando como variables el suelo y uso de la tierra.

 

 

 5.  Aspectos Metodológicos

El estudio comprendió el desarrollo de dos fases, preliminar y análisis, el detalle de cada fase es el siguiente:

 

5.1  Fase preliminar

5.5.1     Descripción biofísica de la cuenca: Mapa hidrográfico, red de estaciones meteorológicas, polígonos de Thiessen, permeabilidad del suelo y uso de la tierra (en dos escenarios).

 

5.5.2     Series de tiempo

Recopilación de series de tiempo de lluvia diaria de las estaciones meteorológicas siguientes:

 

Tabla 1. Estaciones meteorológicas ubicadas en la subcuenca del río Aguacapa.

Estación

Tipo

Año

Longitud

Altitud

inicio

registro (años)

msnm

La Pampa

B

1983

32

1300

La Pastoría

B

1980

35

1020

Aguacaliente

C

1982

33

720

El Mirador

D

1982

33

760

Casa Máquinas Aguacapa

C

1982

33

145

     Fuente: Departamento de Hidrología (INDE, 2016)

 

Adicionalmente se obtuvo la serie de caudales medios diarios de la estación hidrométrica Aguacaliente, para los períodos 1962-1982 y 2002-2016, con longitudes de 20 y 14 años respectivamente

 

5.6  Fase de análisis

 

5.6.1     Propiedades de las series

a.    Longitud: Expresada en años, para cada período analizado, oscilando entre 32 y 35 años.

b.    Completación: Se estimó la cantidad de datos faltantes para cada serie (n), en relación a la longitud total (N, n/N). La relación n/N, oscila entre 0 y 7%, lo cual se considera dentro del rango aceptable, en tal sentido, los datos faltantes fueron estimados mediante el método de proporción normal, descrito por  BREÑA, Puyol (2006, 76).

c.    Independencia: Se trazó el correlograma conjuntamente con intervalos de confianza al 90 y 95%, conocido como la prueba de Anderson, citada por GANANCIAS, Facundo (2009, 6). Para que la serie se considera independiente, al menos el 90% de los puntos ploteados (r vrs k), deben estar comprendidos dentro del intervalo de confianza, de lo contrario, la serie se considera dependiente.

d.    Homogeneidad: Se realizaron dos pruebas, siendo t Student y Cramer, de acuerdo a lo descrito por GANANCIAS, Facundo (2009, 6). Para que la serie se considere homogénea el valor t estimado debe ser menor al t teórico (o crítico).

e.    Tendencia: La tendencia posee dos componentes principales, siendo el sentido y la significancia, la metodología empleada fue el Test de Spearman Rank Order Correlation, ampliamente recomendada por la Organización Meteorológica Mundial, descrita por KUNDZEWICZ & ROBSON (2000).

 

5.6.2     Hietogramas e hidrogramas

Con el objeto de estimar el régimen pluviométrico e hidrológico, se plotearon los respectivos hietogramas e hidrogramas, estimando, previamente para el caso de la lluvia, los valores medios.

 

5.6.3     Variabilidad

Con el objeto de estimar posibles cambios en el régimen pluviométrico e hidrológico, se realizó el análisis de variabilidad para las series de lluvias y caudales medios anuales. Para el efecto, se plotearon las series en papel probabilístico a escala normal con los respectivos intervalos de confianza al 90 y 95%, de acuerdo a la metodología descrita por HANN, Charles (1994).

 

5.6.4     Análisis de caudales mínimos

El análisis de caudales mínimos se realizó aplicando la distribución de frecuencias para eventos extremos tipo III, conocida como Weibull, tanto para la serie original (Y = X), como para la serie transformada logarítmicamente (Y = logX). Las series analizadas fueron caudales mínimos en 1 (Q1d), 2 (Q2d), 5 (Q5d), 7(Q7d), 10(Q10d), 15(Q15d), 30(Q30d) y 60(Q60d) días consecutivos anuales. Posteriormente se trazó las distribuciones en papel probabilístico a escala Gumbel, y se estimó el impacto en el abatimiento de los caudales, mediante la comparación de las series Q1D (Q1d) y Q60D (Q60d).

 

 

 

 

 

 

 

Caudales mínimos (modelo Weibull)

5.6.5     Caudal sólido

Con el objeto de estimar el impacto de la variabilidad de la lluvia y consecuentemente la evolución del uso de la tierra en la subcuenca del río Aguacapa, se estimó la relación entre caudal sólido y caudal líquido, de las series de tiempo correspondientes. Adicionalmente se aplicó la ecuación propuesta por Tucci (2002), para estimar el impacto del régimen de lluvia sobre el caudal sólido.

 

 

 

 

 

 

 

6.  Bibliografía

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VIANA, Janania. Evaluación y propuesta de un sistema de alerta temprana en la parte baja de la cuenca del río María Linda. Escuela Regional de Ingeniería Sanitaria y Recursos Hidráulicos, Guatemala 2008

 

 

 

7.  Aportes de la Investigación a la Toma de Decisiones

ü  Implementación de un modelo distribuido para estimar la erosión a nivel de ladera y cauce.

ü  Modelación hidrológica.

ü  Evaluación de la red de monitoreo meteorológico e hidrométrico.

ü  Implementación de medidas orientadas al manejo integral de cuencas.

 

8.  Aportes de la Investigación a los Temas de la Región

ü  Sistemas de alerta temprana, tanto para inundaciones como sequías.

ü  Sostenibilidad de los recursos naturales.

 

 

 

 

 

Evaluación de mezclas de  suelo-cemento como estrategia para reducir la erodibilidad en suelos de vías forestales

Adriana Gómez Enriquez1, Carlos Cardoso Machado2, Giovani Levi Sant'Anna3, Breno Santos Arrivabeni4,Arthur Araújo Silva5, Carla Ribeiro Machado e Portugal 6

1 Estudiante de Doctorado en Ciencia Forestal. Departamento de Ingeniería Forestal. Universidade Federal de Viçosa (UFV). E-mail: Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.

Rua Papa João XXIII, 215, B2-204, Bairro Centro, Viçosa-MG. Teléfono: +55 31 994513418. Pasaporte: 66967245

 

2 Profesor Titular del Departamento de Ingeniería Forestal. Universidade Federal de Viçosa (UFV). E-mail: Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.

Rua Gomes Barbosa, nº547, Bairro Centro, Viçosa-MG.  Teléfono: +55 31 3892-4431. DNI: 452.563

 

3Pos-Doctor en Ingeniería Forestal. Departamento de Ingeniería Forestal. Universidade Federal de Viçosa (UFV). E-mail: Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.

Rua prefeito Moacir Dias de Andrade, 19, Bairro de Fátima, Viçosa-MG. Teléfono: +55 31 3891-5128. DNI: 722233916-72

 

4 Estudiante de Maestría en Ciencia Forestal. Departamento de Ingeniería Forestal. Universidade Federal de Viçosa (UFV). E-mail: Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.. Rua Alberto Pacheco, nº 145, 202, Bairro Ramos, Viçosa-MG. Teléfono: +55 31 996878307. DNI: 2155794-ES

 

5 Estudiante de Maestría en Ciencia Forestal.  Departamento de Ingeniería Forestal. Universidade Federal de Viçosa (UFV). E-mail: Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.

Av. Marechal Castelo Branco, 1160-102, Bairro Santo Antônio, Viçosa-MG. Teléfono: +55 31994072884. DNI: MG 14572068

           

6 Estudiante de Doctorado en Ciencia Forestal, Oregon State University  - OSU Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.). 2601 NE Jack London Street - Corvallis - Oregon – USA,  Teléfono: +1 541 979 8741

 

    

1.            Presentación

 

En muchos países, grandes extensiones de la red vial son vías sin pavimentar. En Brasil, de acuerdo con el Departamento Nacional de Infra-estructura e Transportes (2015), aproximadamente 80% de las vías son sin pavimentar. Estas vías son responsables por el desarrollo económico de una región; al considerar, que intervienen en el transporte de productos principalmente de actividades agropecuarias (CORREA et al., 2006).

En el sector forestal, estas vías son de gran importancia pues permite el desplazamiento de la mano de obra e insumos necesarios para la producción, implementación, protección, cosecha y transporte de productos forestales (OLIVEIRA et al., 2010). Sin embargo, estas vías en condiciones inadecuadas para transitar, provocan grandes prejuicios económicos, sociales y ambientales y están asociados generalmente a procesos erosivos, ocasionados por la concentración de escorrentía superficial.

La superficie altamente compactada de estas vías reduce la infiltración, aumenta el volumen de escorrentía, principalmente en las áreas de drenaje, causando desprendimiento de partículas del suelo, que generalmente son transportadas a los cursos de agua, ocasionando sedimentación, polución e interferencia con la fauna acuática (ZIEGLER et al., 2000, FOLTZ et al,. 2008, CORREA  y CRUZ, 2010).

Los procesos erosivos en vías sin pavimentar están asociados a factores como intensidad y duración de las lluvias, características del suelo, declividad, características constructivas, intensidad de tráfico, entre otros. (LOPES et al., 2002; MACHADO et al., 2003; FORSYTH et al., 2006; CORRÊA et al., 2007; JORDÁN E MARTÍNEZ-ZAVALA, 2008;  FU et al., 2010).

Desde el punto de vista del suelo, diversas propiedades influencian en los procesos erosivos; principalmente, aquellas que reflejan mayor o menor resistencia del suelo a la erosión. Dentro de esas propiedades, la erodibilidad y el esfuerzo cortante crítico son los principales índices del suelo que caracterizan la resistencia a la erosión (KNAPEN et al., 2007).

La erodibilidad y el esfuerzo crítico cortante son índices afectados por las propiedades físico-químicas del suelo y varían de local a local (FOLTZ el et al, 2008). El conocimiento de estos índices son una contribución importante para diferentes estudios, principalmente los relacionados en determinar la erosión basada en modelos (LAFLEN, et al, 1991). Así como, para plantear estrategias de disminución y control de erosión.

Considerando el alto costo de pavimentación de vías, se torna importante la adopción de tecnologías e alternativas que posibiliten su manutención en niveles aceptables de costo, que proporciones buenas condiciones de tráfico durante todo el año y que controlen la erosión. En este sentido, la estabilización química se presenta como una alternativa viable para proporcionar mayor resistencia mecánica al suelo y consecuentemente mayor resistencia a los procesos erosivos. Por eso, la propuesta de este trabajo es testar un aditivo comercial y analizar la influencia en los índices de resistencia mecánica del suelo.

 

2.            Objetivos del trabajo

 

2.1.       Objetivo general

Evaluar la erodibilidad y esfuerzo cortante crítico de un suelo de textura arenosa con y sin aditivo químico

2.2.       Objetivos específicos

·         Determinar la erodibilidad y esfuerzo cortante crítico de un suelo de textura arenosa

·         Determinar la erodibilidad y esfuerzo cortante crítico de un suelo de textura arenosa con estabilizante químico (Cemento).

·         Comparar las pérdidas de suelo con estabilizante y sin estabilizante

 

 

3.            Marco teórico

 

3.1.       Erosión en vías sin pavimentar

 

Uno de los principales factores que afectan la transitabilidad en vías sin pavimentar es la degradación debido a los procesos erosivos, afectando áreas marginales y provocando prejuicios económicos, sociales y ambientales (GRIEBELER et al., 2005). En áreas forestales, más del 90% de sedimento producido proviene de vías sin pavimentar, siendo el mal drenaje el principal factor (GRACE III et al., 1998).  

 El agua de escorrentía superficial puede erosionar la superficie de la faja terraplenada y contribuir para su estabilización. El principal fundamento de la red de drenaje es que esta debe interceptar, colectar y remover el agua de escorrentía subsuperficial y superficial de las vías (GARCÍA, 2001). La mayoría de los problemas de drenaje pueden ser controlados si son evitados puntos topográficos y geológicos críticos como son: Suelo limoso, curva vertical convoca, locales de infiltración natural del agua, nacientes, etc (MACHADO y SOUZA, 1990).

Factores como la construcción de vías constituye también una actividad de riesgo para la actividad forestal, pues promueve la retirada de cobertura vegetal, movimiento del suelo y compactación de la superficie, causando daños en la estructura del suelo y en el comportamiento hidrológico, tornando los suelos más susceptibles a la erosión hídrica (RAMOS-SCHARRÓN y MacDONALD, 2005; AKAY et al., 2008; JORDÁN y MARTÍNEZ-ZAVALA, 2008).

El tráfico, también es citado como un agente causador del desprendimiento de partículas, una vez que el desgaste generado en la interface neumático-superficie del suelo, provoca fragmentación de partículas gruesas en la superficie de la vía y el desprendimiento de las partículas de suelo (DUBÉ et al.,2004). En este sentido, Corrêa; Cruz (2010) destacan que el transporte de madera genera desprendimento de partículas del suelo, pues esta actividad envuelve el desplazamiento de vehículos pesados (carga de 30 a 40 toneladas) y extrapesados (Vehículos com carga superior a 40 toneladas) provocando deformaciones de la superfície de estrada y comprometiendo el sistema de drenaje.

El mantenimiento inadecuado de las vias genera también uma alta taxa de producción de sedimentos, considerando que estas atividades provocan disturbios al suelo, permitiendo que las partículas sean desprendidas más fácilmente (ZIEGELER et al. 2001). Sin embargo, Fu et al. (2010) destacan que las atividades de manutención, cuando son bien planeadas y realizadas, pueden constituir una intervención importante para el control de procesos erosivos y para mejorar las condiciones de drenaje.

Además de los factores ya mencionados, las propiedades del suelo están directamente relacionadas con la facilidad de un suelo ser más propenso a la erosión. La erodibilidad del suelo y el esfuerzo cortante crítico, son propiedades que permiten definir el grado de erosión de un suelo (MENEZE y PEJON, 2010).

De acuerdo con Knapen et al. (2007)  para determinar las pérdidas de suelo generadas por la escorrentía superficial, es importante tener una estimativa confiable de los factores relacionada a la resistencia del suelo a los procesos erosivos, siendo los principales índices que describen esta resistencia, la erodibilidad y el esfuerzo cortante crítico.

 

 

 

3.2 Erodibilidad y esfuerzo cortante crítico

 

La erodibilidad del suelo es definida como la propiedad que expresa la facilidad con que las partículas de los suelos son desprendidas por un agente erosivo (VEIGA,1988; BASTOS, 1999, LAL,1994). Es una de las características más complejas del suelo, considerando el gran número de factores físicos, químicos, biológicos y mecánicos que interviene.

Nogami e Villibor (1995), indican que la erodibilidad depende de características como granulometría, construcción mineralógica y química del suelo, de la estructura, permeabilidad, capacidad de infiltración y la cohesión entre partículas.

El esfuerzo cortante de crítico por otra parte, puede ser entendido como la fuerza máxima que puede ser aplicada al suelo sin que haya desagregación de las partículas (OLIVEIRA et al. 2009). Soares et al. (2006) abordan el concepto de esfuerzo cortante crítico como "equilibrio limite", que implica considerar el instante de ruptura, cuando las fuerzas que actúan, son iguales a la resistencia del suelo, sin tener en cuenta las deformaciones. Cuando este máximo es excedido, se dice que se rompió el suelo.

Diversas propiedades del suelo están directamente relacionadas con la erodibilidad y fuerza cortante critica, tales como la textura, humedad del suelo, estructura, la compactación, la estabilidad de agregados, la plasticidad, el contenido de materia orgánica, el contenido de óxidos de hierro y aluminio entre otros. Las diversas fuerzas de ligación mecánica, adhesivas, cohesivas y electrostáticas que actúan en la matriz del suelo y el complejo comportamientos de estas fuerzas entre las partícula consiste en una de las principales limitaciones para el completo entendimiento de la erodibilidad del suelo.

 

3.3 Aditivos químicos

 

La estabilización de suelo-cimiento consiste en la utilización de un material generado a partir de la mezcla de suelo desterronado, cemento y agua. De acuerdo con Kézdi (1979) esa mezcla una vez compactada genera un material de mayor resistencia, características favorables de deformación, resistencia al agua y temperatura, que son de grande interés en la construcción de la capa superficial, fundición y canales de drenaje de vías sin pavimentar.

La adición de pequeñas cantidades de cemento tiene la propiedad de bajar el valor del índice de plasticidad, disminuir el límite de liquidez, disminuir los cambios de volumen, además de aumentar la capacidad de soporte medio por el ensayo de resistencia a la compresión y no confinada por el valor de CBR (BAPTISTA, 1976).

Kézdi (1979 ) relata que la reacción de hidratación del cemento dentro de los poros de los suelos finos, genera la formación de un esqueleto,  donde las partículas del suelo son envueltas por esta pasta de tal forma que crean una matriz de fijación de las partículas no adheridas. La formación de este esqueleto es de fundamental importancia en la reducción de la sensibilidad a los cambios de humedad que pueden generar importantes esfuerzos de tracción y compresión significativos dentro de la masa de suelo, y también determinar el incremento de resistencia de la  mezcla provenientes del fenómeno de cementación  (FRANÇA, 2003).

Según Lima et al. (1993), cualquier tipo de suelo puede ser estabilizado con cemento, sin embargo, es la regla básica de que la cantidad de cemento empleado aumenta con el contenido de arcilla, lo que hace económicamente más favorables esta estabilización para los suelos arenosos.

Pequeñas cantidades de cemento, del orden de 1 a 2%, son suficientes para hacer que sea más viable suelo, disminuyendo su cambio de volumen y aumentar su capacidad de carga. La mezcla de suelo-cemento compactado puede ser utilizado tanto como suelos de base como de sub-base de pavimentos, lo que requiere contenidos de cemento mayor que 4%, dependiendo del tipo de suelo trabajado (SENCO, 2001).

 

4.    Aspectos metodológicos

 

4.1 Generalidades

Fueron determinadas las pérdidas de suelo, provenientes de muestras deformadas compactadas y comparadas con las pérdidas de suelo de muestras tratadas químicamente con un aditivo comercial (cemento). A partir de los datos de perdida de suelo y del esfuerzo cortante aplicado se determinó la erodibilidad y el esfuerzo cortante crítico.

Se evaluaron tres dosis del aditivo químico: 0%( testigo), 2% e 4%.  La influencia de la declividad también fue evaluada, siendo testadas tres declividades 2%, 4% e 8%. Para cada una de las variables fueron realizadas 5 repeticiones siendo realizados un total de 45 testes.

 

4.2 Suelo

El estudio fue realizado con suelo de textura arenosa, colectado en la Vila Secundino, en el campus de la universidad Federal de Viçosa (UFV) zona da mata de Minas Gerais-Brasil, provenientes de taludes. Geotécnicamente es un suelo residual joven de gnaisse con horizonte C profundo y de coloración grisácea (PEREIRA, 2005).

 

 

 

4.3 Preparación de las muestras de suelo

Una vez colectado el suelo en campo, las muestras se secaron al aire y se tamizaron. Posteriormente, fueron pesados 7kg de suelos para ser compactados, aplicar el aditivo y obtener los cuerpos de prueba. La compactación se realizó siguiendo la norma   NBR 7182/1986 aplicando una energía de compactación intermediaria (26 golpes). Una vez compactados los cuerpos de prueba, eran extraídos del cilindro, para posteriormente ser moldados en el anillo de muestreo del aparato de inderbitzen y ser realizados los ensayos.

 Los ensayos realizados con las muestras de suelo natural (0% de aditivo), eran realizados al día siguiente después de compactación. Los ensayos con aditivo (cemento 2 y 4%) fueron preparados siguiendo la norma NB 1336/90 con tiempo de cura 7 días y utilizando un cemento comercial (Portland CP-II_E32)

 

 

 

 

4.4 Determinación de las pérdidas de suelo

Las pérdidas de suelo fueron determinadas utilizando el ensayo de Inderbitzen. Esta metodología consiste en someter una muestra de suelo de área conocida sobre la acción del proceso de escorrentía superficial, donde el volumen de agua aplicado es conocido y el tiempo de aplicación es controlado, siendo colectado el suelo perdido durante este periodo de tiempo.  

Para este experimento fue utilizada una versión del ensayo de inderbitzen con rampa de orificio circular propuesto por Stephan (2010). Esta versión consiste de una rampa metálica en aluminio, con un orificio circular para fijar los cuerpos de prueba con diámetro de 144 mm e altura de 43 mm.

Una de las caras del cuerpo de prueba es posicionada tangencialmente al plano da rampa, en su extremidad inferior, expuesta a un flujo laminar controlado, ocasionando erosión en el suelo por un tiempo determinado. La rampa es apoyada en una estructura metálica, que presenta un sistema móvil en la parte superior, permitiendo la variación del ángulo de inclinación.

Las pérdidas de suelo fueron determinadas para tres declividades: 2%, 4% y 8%, siendo estas representativas de vías forestales. Para cada ensayo fue aplicado un caudal de 6L/min durante 15 minutos, siendo colectado el suelo erosionado en tres periodos (1 minuto después de aplicar el caudal de escorrentía, 5 min y 15 min).

En seguida todo el material colectado, fue transferido a capsulas metálicas para secar durante 24 horas. Después de este tiempo el suelo colectado fue pesado y tamizado, obteniendo el peso del material retenido en cada tamiz.

 

 

4.5 Calculo del esfuerzo cortante

            t  = γÿ S     Ec. 1  t=

 

Donde,

t = Esfuerzo cortante asociado a la escorrentía, Pa;

ÿ= peso específico del agua, kgf m-3;

y = profundidad de escorrentía, m; e

S = declividade de la superfície libre da agua, m m-1.

4.6 Determinación de la erodibilidad

Los valores obtenidos en cada ensayo de perdida de suelo asociados a un determinado esfuerzo cortante fueron trazados en un gráfico y, fue ajustada una regresión lineal simple al conjunto de datos. El valor de la erodibilidad corresponde al coeficiente angular de la ecuación ajustada y, el esfuerzo cortante crítico equivale al valor máximo de esfuerzo aplicado en que la perdida de suelo es cero.

 

5.    Resultados

 

5.1 Perdidas de suelo

 

Suelo sin aditivo (0% cemento)

El suelo sin aditivo presentó perdidas de suelo de hasta 1,67g cm-2. La pendiente mostró un comportamiento directamente proporcional, una vez que, a mayor pendiente, mayor pérdida de suelo.  Cuando comparados los resultados obtenidos para cada pendiente se observó que las pérdidas generadas para pendientes de 8% eran 2 veces más que para 4% (0,80 g cm-2) y 3 veces más que para 2% (0,5 g cm-2) Figura 1.

 

 

Suelo con 2% de aditivo

Las pérdidas de suelo durante el tiempo total del ensayo fueron de 0.005, 0.007 y 0.009 g.cm-2 para las pendientes de 2, 4 y 8% respectivamente. Las mayores pérdidas de suelo se obtuvieron para la mayor pendiente, presentando una relación de 1.6 veces mayor cuando comparada a la pendiente del 2% y de 1.3 veces más, cuando comparada a la de 2% (Figura 2).

  

Suelo con 4% de aditivo

 

Las pérdidas de suelo para este tratamiento fueron de 0.0058 g.cm-2 para la pendiente de 2%, 0.0065 para 4% y de  0.0079 g.cm-2 para 8%. Las mayores pérdidas de suelo se obtuvieron para la pendiente de 8%, presentando una relación de 1.3 veces mayor cuando comparada a la pendiente del 2% y de 1.2 veces más, cuando comparada a la de 2% (Figura 3).

  

 

De acuerdo con los resultados obtenidos, se observa que los suelos con aditivo presentaron menores perdidas de suelo cuando comparadas con el suelo sin aditivo, presentando disminuciones de hasta 99% en las declividades 4 y 8.

 

5.2 Erodibilidad y esfuerzo cortante crítico

Suelo sin aditivo

La erodibilidad en el suelo sin aditivo fue de 0.18 g.cm-2.min-1 Pa -1 y el esfuerzo cortante critico de 0.26 Pa (Figura 4).

 

 

Suelo con 2% de aditivo

En el tratamiento con 2% de aditivo la erodibilidad fue de 0.0005 g.cm-2min-1Pa-1. Los resultados evidenciaron una reducción de 99% en la erodibilidad cuando tratados químicamente. El esfuerzo cortante crítico fue de -0.2 Pa siendo un valor inconsistente desde el punto de vista físico, pero que puede ser explicado por el bajo valor de erodibilidad obtenido (Figura 5). 

 

Suelo con 4% de aditivo

El tratamiento con 4% de aditivo presentó un valor de erodibilidad de 0.0003 g.cm-2.min-1 Pa-1 y el esfuerzo cortante crítico de -0,66 Pa. Los resultados fueron muy cercanos a los obtenidos en relación al suelo con aditivo del 2%, evidenciando una reducción de la erodibilidad del 40% cuando comparado con el suelo  tratado con 2% de aditivo y de 99.8% cuando comparado con el tratamiento sin aditivo. Ya el esfuerzo cortante critico fue de -0.66 Pa, siendo un valor negativo, y de igual manera que al obtenido en el ensayo con 2% de aditivo, puede ser inconsistente desde el punto de vista físico, pero también puede ser explicado por el bajo valor de erodibilidad obtenido.

 

 

6.    Aportes de la investigación

Suelos arenosos tratados químicamente con cemento pueden presentar bajas perdidas de suelos, y consecuentemente valores bajas de erodibilidad cuando comparados con suelos sin tratamiento. Siendo esta una buena estrategia para el control de procesos erosivos en vías sin pavimentar.

Suelos tratados con 2 y 4% de aditivo reflejaron valores de erodibilidad muy bajos y similares. Por tanto, para definir el porcentaje de dosificación del aditivo es importante considerar otros aspectos relevantes como, costos, área, e pendiente del terreno, entre otros.

La metodología propuesta, se presenta viable para el control de erosión en vías que presenten condiciones de suelo y de terreno similares al estudiado. Sin embargo es necesario realizar más ensayos para definir padrones para su implementación.

7.            Bibliografía

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Coloquio en Lima 25 de Octubre, 2 a 6 pm.

En vivo:http://envivo.pucp.edu.pe/departamentoingenieria

Lugar:Campus PUCP - Anfiteatro Monseñor José Dammert

Dirigido a:Público externo y comunidad PUCP

Costo:Gratis

Vacantes:100

 

La seguridad hídrica representa la disponibilidad de agua (en cantidad y calidad) y el nivel de riesgo asociado a ésta, en niveles que sean aceptables para la salud y los medios de vida y producción. La seguridad hídrica está definida por una eficiente interacción entre una dimensión física (i.e. los procesos naturales que determinan las cantidades de precipitación, evaporación, infiltración, etc.) y una dimensión social y económica (e.g., patrones sociales y culturales de consumo de agua, factores políticos, regulación, desarrollo económico, etc.).

Lima tiene una población de 9.7 millones de habitantes, y se asienta en una zona árida y por lo tanto, está incluida entre las 10 futuras megaciudades que afrontan estrés hídrico. Sin embargo, durante la ocurrencia de eventos extremos del Fenómeno de El Niño, en algunos sectores de la periferia de Lima, se presentan flujos de escombros que vulneran la infraestructura existente y en muchos casos inducen pérdidas humanas.

Objetivos

En el marco de la Línea de Investigación 1: Ciudades e infraestructura sostenible de la Sección de Ingeniería Civil, el presente evento tiene como objetivos:

·         Exponer los retos, propuestas y soluciones de las lecciones aprendidas de la implementación de sistemas urbanos de drenaje sostenible y experiencias del manejo de drenaje pluvial en Barranquilla.

·         Informar del plan de acción de SEDAPAL ante los efectos del calentamiento global.

·         Informar del plan de acción de SUNASS ante eventos de estrés hídrico o contaminación de las fuentes de agua de la ciudad de Lima.

·         Informar del plan de acción de la Autoridad Nacional del Agua ante eventos de estrés hídrico.

Ingreso

Ingreso libre, previa inscripción.

Los interesados que deseen constancia de participación deberán abonar S/ 50 soles.

Organizado por

·         Departamento de Ingeniería - Sección Ingeniería Civil

·         Maestría en Ingeniería Civil - Escuela de Posgrado

 

 

SIN EROSIÓN: A propósito de construir la Paz

Publicado en Noticias

Minería Responsable, es posible?

Para lograr la paz es necesario generar una minería responsable.

En Colombia suceden cosas interesantes,que nos dan esperanza. En Mayo de 2016 un grupo diverso (industriales, lideres, académicos etc)  con visiones  diferentes por su formación,  ideología o actividad;logró formar un  grupo de Diálogo y presentar un  acuerdo sobre parámetro para la actividad minera responsable El Grupo de Diálogo sobre Minería en Colombia (GDIAM) planteó que el camino para lograr una minería responsables es hacerla incluyente, resiliente y competitiva.

Aun cuando la minería está relacionada con violencia y vemos  incremento de la minería ilegal y criminal, e incluso minería formal poco consciente con el medioambiente, sabemos que su aprovechamiento también ayudaría a la lucha contra la pobreza y la desigualdad de los ciudadanos.

Es por eso que la iniciativa del Grupo de Diálogo sobre Minería en Colombia (GDIAM) es tan interesante, puesto que persigue la unión de los colombianos tras ese objetivo: “ contribuir a la construcción de un consenso nacional que incluya al Estado en todos sus niveles, a las comunidades, a las empresas, a la academia, a los trabajadores y a la sociedad civil en general”  (http://gdiam.ssrc.org/).

Su propuesta para una minería incluyente es la creación de una agencia especializada en el diálogo intercultural que posibilite la minería incluyente:

IMPLICA LA CONSULTA EN PROYECTOS ESPECÍFICOS

Para ello,consideran importante :

1.       Tener y mantener  información pertinente ( entorno natural, social, cultural donde se desarrolla la minería).

2.       Promover  un diálogo permanente y proactivo ( en la coordinación de preservación, explotación y distribución equitativa de los frutos de la actividad)

3.       Estimular la participación

4.       Regular la consulta

5.       Clarificar las reglas del juego

6.       Objetivo : contribución al desarrollo sostenible de los territorios.

 

 

Para una MINERÍA RESILIENTE

Se expresa la necesidad en cada proyecto y en todo su ciclo de vida, prevenir  el impacto, mitigarlo, restaurar o compensar el daño. De tal manera que las comunidades involucradas reciban beneficios netos, sociales, económicos y ambientales.

Se lograría con ello, explican, que la minería no se mantenga en una línea de agotamiento social y cultural, al explotar el recurso natural.

Para llegar a una minería resiliente es relevante:

1.       Ordenamiento territorial que regule el espacio en que prima la protección ambiental y bajo esta premisa se limite o permita  la extracción mineral

2.       Protección del medioambiente

3.       Regulaciones y fiscalización en el cumplimiento de las normas

4.       Evaluaciones Ambientales Estratégicas  que posibiliten facilitar el Ordenamiento territorial, evaluar el impacto ambiental, identificar normas y autorregulación de las prácticas empresariales .

 

El tercer factor relevante es la MINERÍA COMPETITITVA, la cual se define como  rentable económica, social y ambientalmente

La competitividad exige, en términos generales:

1.       Eficiencia: Altos estándares industriales al menor costo

2.       Mejores prácticas ambientales y comunitarias

3.       Seguridad física y jurídica

4.       Instituciones de calidad en:  técnicas , transparecia, infraestructura y recursos humanos

5.       Marcos normativos eficientes y estables

6.       Garantías para la fijación de una renta minera justa para el país

7.       Eficaz fiscalización del aprovechamiento de recursos naturales no renovables, de la recaudación y de la utilización de la renta minera, para la inversión .

8.       Uso eficiente de recursos escasos (especialmente hídricos y ecosistémicos) y de energía

9.       Mercado de capitales competitivo y coherente con los plazos que demanda esta actividad.

10.   Fortalecimiento de cadenas de oportunidades alrededor de la industria ( para su evolución dentro, alrededor y de sustitución)

 

 

Seguramente en sus planteamientos encontraremos cómo aprovechar a mediano y largo plazo los recursos renovables.

Y bases para establecer  las condiciones necesarias desde el punto de vista ambiental, económico, legal, regulatorio, institucional, administrativo y de entorno, conforme con el sentido público de la propiedad estatal de este tipo de recursos.

También el GDIAM  profundiza en políticas de cada tipo de minería necesaria para lograr la minería que queremos los colombianos. En cuanto a la  minería artesanal y ancestral plantean que  las políticas del estado deben  focalizarse en una política pública con énfasis social y no represivo.

¿Cómo realizan las actividades mineras las comunidades indígenas y afrodescendientes?

¿Qué Proporción de la población y de territorio está dedicado a esta actividad y qué efectos tiene en la comunidad?  El 14% de la población (según el Estado) pertenece a comunidades étnicas y poseen el 32% del territorio. Estudios para el departamento de Planeación Nacional  indican que el 40 % de los títulos otorgados podrían afectar las tierras de los resguardos indígenas (24 %) y de los territorios colectivos (16 %) .

De acuerdo al informe de contraloría, Mayo 2013, denominado: Minería en Colombia, fundamentos para superar el modelo extravista .  En 2012, 5,6 millones de hectáreas, correspondientes a 9400 títulos mineros  habían sido suscritos, y en explotación estaban cerca del 1,8%, del territorio nacional. Si se suman la áreas otorgadas y las declaradas estratégicas sumarían el 35% del territorio nacional con interés minero.

Según este informe, una gran cantidad de las áreas mineras se desarrollan en ecosistemas que son críticas para el medioambiente y la biodiversidad de Colombia. Encontramos entonces zonas con  una gran influencia de agua: nacimientos, humedales, ríos, zonas de inundación, recargas de acuíferos, páramos y también bosques y selvas. Es clara la repercusión para el territorio y sus habitantes , siendo más relevante como afectan a las comunidades más vulnerables: afrodescdendientes, indígenas, campesinos y colonos. Desafortunadamente también afecta las zonas urbanas, como se puede ejemplificar en el distrito capital. En resumen, afecta el agua, el aire y el suelo, generando cambios muy negativos en el entorno, el paisaje y la relación con el ambiente.

 

Es  importante resaltar que la unión de este grupo que representa una gran variedad de actores del país se une y plantea soluciones, prueba que los colombianos podemos gestionar actividades para beneficiar nuestro país y en un área tan álgida para lograr la paz.

Importante pensar en que juntos, con las destrezas y miradas propias de nuestra identidad personal, familiar, comunitaria, regional e ideológica, podemos unirnos y hacer y  promover acciones para  un  beneficio nacional.  Aprovechemos cada una de estas acciones en pro de nuestro suelo sano, agua clara y aire limpio.

 

BIBLIOGRAFIA

 

Minería en Colombia, Fundamentos para  superar un  modelo extravista. Luis Jorge Garay Salamanca. Tomdo de https://redjusticiaambientalcolombia.files.wordpress.com/2013/05/mineria-en-colombia-fundamentos-para-superar-el-modelo-extractivista2013.pdf

 

 

Minería en Colombia, Derechos, políticas públicas  y Gobernanza. Luis Jorge Garay. Tomado de

http://www.contraloriagen.gov.co/documents/10136/182119332/Libro_mineria_sep3_2013.pdf/65bf77a0-8b0b-430a-9726-dad0e72639c6

 

Propuestas para una visión compartida sobre la minería en Colombia

 Informe GDIAM. Tomado de    http://gdiam.ssrc.org/propositos.html

 

 

 

 

Presentado Por Martha Eddy Arteaga

Coordinadora de Riesgo, Información y Participación Comunitaria

Dirección De Asuntos Marinos, Costeros y Recursos Acuáticos

Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible

Corresponde al Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible “hacer evaluación, seguimiento y control de los factores de riesgo ecológico y de los que puedan incidir en la ocurrencia de desastres naturales y coordinar con las demás autoridades las acciones tendientes a prevenir la emergencia o a impedir la extensión de sus efectos” (artículo 5 de la Ley 99 de 1993).

 

Bajo esta premisa, formuló y estructuró con el INVEMAR un programa nacional para el control y la mitigación de la erosión costera en Colombia, para orientar la gestión del riesgo marino costero en un horizonte a corto plazo de 20 años, encaminar las acciones de mitigación y control, coordinar los actores que intervienen desde el ámbito de gestión, investigación y uso del territorio y maximizar los recursos dispuestos para garantizar un nivel de seguridad de las poblaciones y ecosistemas marinos y costeros ante la amenaza creciente de la erosión costera.

 

Presenta una estructura presidida por el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible –MADS- con el apoyo del IDEAM para los aspectos climáticos, DIMAR en los aspectos oceanográficos y de jurisdicción de las áreas litorales de uso público, Servicio Geológico Colombiano como responsable de la Geología del país y el IGAC de la cartografía. Las CAR costeras e institutos de investigación, como miembros del SINA, y las instituciones de educación superior con intereses en la zona marina costera son parte fundamental en la ejecución de este plan y la comunidad como beneficiaria y directamente afectada.

 

Los “Lineamientos para la Formulación del Plan Nacional de Manejo Integrado de Zonas Costeras –PNMIZC” (CCO, 2007) presenta los avances en la implementación de los programas MIZC en Colombia, que son la base sobre la cual se construyen los programas de manejo y control de la erosión. La gran mayoría de las Corporaciones Autónomas Regionales (CAR) han avanzado en los estudios de las UAC costeras, en materias de caracterización y diagnóstico, zonificación, lineamientos de manejo e incluso planes de manejo. Las estructuras administrativas y de manejo se han establecido y localmente se han adelantado actividades de implementación.

 

El Diagnóstico Ecológico de las Zonas Marino Costeras (MADS-JAM ING. 2014) y los diagnósticos de los procesos erosivos de Caribe, Pacífico y zonas insulares (INVEMAR, 2008, 2009, 2011), muestran un panorama del avance acelerado de los procesos erosivos costeros y la afectación de los ecosistemas y las poblaciones allí asentadas. El uso indebido del territorio costero ha incrementado el efecto del cambio climático, incluido el aumento del nivel del mar, y el control, en manos muchas veces inexpertas y sin la información relevante suficiente, ha ocasionado el desequilibrio de la dinámica costera y con ello la pérdida de playas, dunas, manglares, lagunas costeras, formaciones coralinas entre otros, así como de infraestructura urbana y de servicios. A esta situación es a la que se ha venido enfrentando el sistema, mitigando las situaciones más urgentes, pero sin un plan o estructura guía que permita optimizar los procesos y los recursos existentes.

 

Para Colombia, el documento base para la elaboración de la Política Nacional de Ordenamiento Integrado de las Zonas Costeras Colombianas, definió la zona costera colombiana “como una entidad geográfica del territorio nacional definida y separada con características naturales, demográficas, sociales, económicas y culturales propias y específicas; formada por una franja de anchura variable de tierra firme y espacio marítimo en donde se presentan procesos de interacción entre el mar y la tierra”. Los límites para la zona costera colombiana engloban el 100% de la cobertura de manglar y bosques de transición, así como las lagunas costeras hasta la cota máxima de nivel de la orilla, los terrenos emergidos de unidades de reserva y los centros urbanos costeros, comprendidos en una zona de amortiguamiento de 2 km. En el mar, el límite llega hasta las 12 millas náuticas o la isóbata de los 200 m, lo que ocurra primero.

 

Muchas regiones costeras ya experimentan los efectos de la erosión costera por el ascenso relativo del nivel del mar, causado por el cambio climático, el hundimiento geológico de terrenos u otros factores locales o inducidos por el hombre.En el caso de Colombia, este fenómeno que se ha evidenciado fuertemente en las últimas décadas, se ha venido estudiando por parte de las instituciones involucradas en el manejo integrado de las zonas costeras de nuestro país, con el fin de prevenir y mitigar su efectos (INVEMAR-MADS, 2012).Se estima que un 30% de las costas del país están registrando procesos importantes de erosión costera.

 

Además de los diagnósticos de la erosión costera publicados por el Invemar (2008, 2009 y 2011), la mayor parte de las instituciones que conforman el SINA han abordado la problemática de la erosión costera a partir de la realización de diagnósticos específicos para sus áreas de jurisdicción. Por tal motivo actualmente se cuenta con información de más detalle de los sectores con erosión costera, los factores que contribuyen a la misma y su afectación a las comunidades, infraestructura y ecosistemas.

 

Los desarrollos urbanos a lo largo de las zonas costeras del país han incrementado con respecto a los años 60-70 del orden del 40% en promedio para ciudades y del 20% en las zonas rurales. A esta situación se aúna la explotación ilegal de arenas de las playas y zonas submareales y la extracción de rocas de los acantilados y puntas duras como fuentes de materiales en la construcción urbana y de servicios. La tala del mangle para usos varios, la remoción de los pastos marinos para comodidad de los turistas y la degradación de los arrecifes coralinos por labores de pesca y venta de suvenires son aún actividades que se llevan a cabo en nuestras zonas costeras.

 

Las zonas de mangle han y están siendo deforestadas para dar lugar a llenos antrópicos para infraestructura turística o para implantación de cultivos. Proliferan los puertos y muelles de cargue de mercancías a granel, principalmente carbón en la costa del Caribe; zonas de vivienda dispersa están siendo densificadas y orientadas a la explotación turística. Se han incrementado las estructuras de protección costera, principalmente de tipo obras duras como espolones de forma exponencial con la urbanización de los litorales y los cambios del uso del suelo en general, sin que se estime el impacto ambiental de las mismas y el mayor desequilibrio al que se induce al ecosistema costero.

 

Todo lo anterior bajo un escenario de cambio climático, con aumento en el nivel del mar, de la intensidad y frecuencia de las tormentas y de los patrones de precipitaciones, contribuye a acelerar la destrucción y daño de la propiedad y la infraestructura costera, la degradación de ecosistemas protectores, pérdida de playas, entre otros.

 

 

El Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible ha estado trabajando con las entidades del SINA en la adopción de medidas más apropiadas basadas en ecosistemas con el principio de trabajar con la naturaleza, y que dependen de las condiciones técnicas, ambientales, sociales y económicas de la zona donde se localiza el problema. De la mano del Gobierno de los Países Bajos actualmente está realizando el Plan Maestro de la Erosión Costera de Colombia, que permitirá concretar iniciativas en este sentido.La implementación de medidas de mitigación y control de la erosión costera basada en los procesos naturales, la adaptación basada en ecosistemas, permitirá que haya cambios costeros naturales, mientras se reducen los riesgos.

 

 

 

 

 

 Los factores que han contribuido al aumento de la erosión costera:

Incremento de la población en zonas urbanas

Uso de arenas y otros materiales de las playas y costas rocosas

Tala del bosque de manglar y vegetación de playas y dunas.

Construcción de obras ilegales

Cambio climático global:  degradación de los ecosistemas, salinización de los acuíferos retroceso de la línea de costa, fenómenos climáticos extremos y aumento en el nivel del mar. 

Adopción de medidas basadas en el conocimiento de la naturaleza:

Apertura de canales naturales,

Revegetalizacion de playas,

Restauración de manglares.

Otras medidas:

Manejo integrado de la zona costera

Restauración del transporte natural de sedimentos

Reutilización del material de dragado

Consolidar el ordenamiento integrado de zonas costeras, incorporando la gestión del riesgo de los litorales

Regeneración de playas

Rehabilitación de manglares

Remodelación de acantilados

 

 

17 de noviembre, 2016
12:00 - 1:00PM Central

 

Tema: Control de Erosión y Sedimentos
Nivel de audiencia: Todos los niveles
Price: $50 Miembros/ $65 No Miembros
Credit: 1 Professional Development Hour

Regístrese en Ieca y  disfrute con educación continua

http://www.ieca.org/WEB1117

Cuando se construye en ambientes áridos la erosión y sedimentación son a menudo pasados por alto. A menudo la última prioridad la tiene el control de polvo y erosión eólica con erosión hídrica y escorrentía.  Los contratistas se encuentran sin mucho que hacer cuando reaccionan a una tormenta en ambientes áridos, mientras que los urbanizadores corren con los riesgos y enfrentan costos inesperados. Aprenda cómo estabilizar éxitosamente suelos en áreas con menos de 250 mm de precipitación anual (en promedio), además, cómo estabilizar vegetación en tales condiciones climáticas extremas.

Objetivos de aprendizaje:

1.   Comprender cómo se forman los ambientes áridos.

2.   Aprender cuándo utilizar vegetación y cuándo no utilizar vegetación para controlar la erosión en ambientes áridos.

3.   Aprender cómo establecer vegetación éxitosamente en ambientes áridos.

 

Presentado por Pablo A. García-Chevesich, Ph.D.

 

     Pablo A. García-Chevesich es un ingeniero forestal con un M.Sc. en Gestión de cuencas y un Ph.D. en Ingeniería Agrícola y Biosistemas (Universidad de Arizona). El Dr. García-Chevesich es un investigador, profesor, consultor, y perito en el campo de la gestión de cuencas hidrográficas, con un fuerte enfoque en la hidrología,  procesos de erosión / sedimentación y su control,  restauración de la tierra y la mitigación del cambio climático desde la perspectiva de la gestión de los recursos naturales . El autor de "Control de la erosión y restauración de la tierra", y muchas otras publicaciones, realiza cursos en varios estados de Estados Unidos, Europa y América del Sur. Originario de Chile, el Dr. García-Chevesich está constantemente involucrado en proyectos de investigación / desarrollo en varias partes del mundo. Él es un miembro de la Junta de la Asociación Internacional de Control de Erosión (Capítulo Occidental) y el embajador de Estados Unidos para la Iniciativa Internacional sobre la Sedimentación de la UNESCO.

 

 

 

SEMINARIOS DE CAPACITACIÓN LIMA PERÚ

Publicado en Eventos Ieca Iberoamerica

Curso Introductorio para la Certificación Profesional en Control de Erosión y Sedimentos (CPESC)

Disertantes: Ingeniero Francisco Urueta.

                         Ingeniero Gustavo O. Salerno

Se entregará material técnico y  certificado de participación.

Día 22 de Noviembre de 9 - 13hs y de 14 - 18 hr.

 

Trabajo de Control de Erosión en Minería

Disertante: Ingeniero Miguel G. Mathews S.

Día 23 de Noviembre de  9- 10: 45hr

 

Uso de Sistemas Geosintéticos, Biotécnicos y de Bioingeniería para la Estabilización de Taludes en Cuencas Hidrográficas.

Disertante : Ingeniero Rafael  Nicky Araujo

Día 23 de Noviembre de 11:15 - 13 hr.

 

Estratificación de Trazas en función  al Riesgo por Procesos de Erosión Hídrica: Software Estrata  v10

Disertantes: Ingeniero Jose Darío Barrientos

                         Ingeniero Cristian Jose Campos

                      Ingeniero  Jenny Marín Vasquez Acuna

Día 23 de Noviembre de 14hr a 15 hr beak 15:30 - 16:30hr

 

 

 

 

 

Autores

Manolo Galván, Ph.D. – Ingeniero Civil. Profesor

Universidad del Valle

Sebastián Arango – Ingeniero Civil. Estudiante de Doctorado

Universidad del Valle

Fadel Isaac Guerrero – Estudiante Ingeniería Civil

Yessica Natalia Elvira – Estudiante Ingeniería Civil

Universidad del Valle

1.    Presentación

Los trinchos en guadua son una técnica empírica utilizada como sistema de contención de suelos en zonas rurales de Colombia, donde los taludes son de alta pendiente y pueden llegar a ser inestables. Este sistema es una alternativa de bio-ingeniería para la estabilización de taludes, y está constituido por la construcción en forma escalonada de muros con Guadua angustifolia, que conforman una serie de terrazas para tratamientos de recuperación de la cobertura vegetal. Los trinchos soportan la masa de suelo a través de una pared compuesta por guaduas organizadas horizontalmente que, a su vez, son soportadas por pilotes en guadua embebidos en el suelo para resistir la presión lateral transmitida. El comportamiento estructural del trincho (deflexiones, deformaciones, resistencia, etc.) estará determinado por el comportamiento de sus pilotes, al ser este quien actúa como cimentación de la estructura de contención. El presente artículo muestra el comportamiento suelo-estructura de los pilotes en guadua del trincho en suelos predominantemente friccionantes (no cohesivos), a través del análisis por elementos finitos de distintos modelos, y hace parte de los recientes aportes que buscan normalizar la aplicación de esta técnica artesanal para estabilizar taludes. En estos modelos se simula la presión transmitida por el suelo según la teoría de presión activa de Rankine, y se varía la altura de pared del trincho, el espaciamiento entre los pilotes y el ángulo de fricción interna del suelo. Adicionalmente se mantienen los valores promedios de las propiedades físico-mecánicas de la Guadua angustifolia y la profundidad de embebido de los pilotes. Los resultados numéricos indican que las fallas de los trinchos en guadua se dan por falla de fondo del suelo, o por aplastamiento de la guadua contra el suelo por los esfuerzos a compresión perpendicular a la fibra. El mejor comportamiento estructural se da cuando se configura el trincho en guadua como una estructura de pilotes tangentes. Los pilotes de los trinchos en guadua se comportan como una estructura flexible en un medio no lineal, distinto a otras estructuras flexibles como las tablestacas. El comportamiento estructural del trincho en guadua es altamente sensible al cambio de ángulo de fricción interna del suelo.

 

 

 

2.    Objetivo

Estudiar el comportamiento suelo-estructura de los trinchos en Guadua angustifolia como estructura de contención de suelos predominantemente friccionantes, a través del análisis por elementos finitos de distintos modelos simplificados.

3.    Marco Teórico

La Guadua angustifolia es una especie de bambú nativo de la zona norte de Sur América. Dicha especie, ha tenido un papel protagónico en el desarrollo de Colombia, al ser utilizada como material de construcción desde el periodo de colonización de la región centro occidental del país (siglos XVIII y XIX), gracias a sus excelentes propiedades físicas y mecánicas, lo cual la ha convertido en un material predominante en edificaciones y otras obras del hoy conocido Eje Cafetero  (Londoño, 2011:146).

Ambientalmente, la energía necesaria para procesar el bambú en aplicaciones estructurales es menor la de otros materiales tradicionales como el acero y el concreto. A diferencia de otro tipo de maderas, la Guadua angustifolia cuenta con un periodo corto de renovación, ya que un tallo puede crecer 18 cm al día y tomar de 3 a 5 años para alcanzar la madurez completa, lo que le permite catalogarla como un material de bajo costo (Janssen, 1981:12).

El bambú es anisotrópico, y se caracteriza por tener altas propiedades mecánicas en la dirección axial gracias al contenido de fibras en esa dirección, en comparación con bajas propiedades mecánicas en las direcciones transversales, donde no cuenta con fibras de refuerzo (Torres, et al., 2007:256). Algunos valores característicos de resistencia del culmo de Guadua angustifolia se presenta en la Tabla 1.

 

Ensayo

(Luna, et al., 2014)

(Ardila Pinilla, 2013)

(Ghavami & Marinho, 2005)

Corte

3.5

2.5

 

Compresión paralela a la fibra

20.3

31.7

29.5

Tracción paralela a la fibra

40.7

31.9

87.0

Flexión

37.4

30.6

 

Compresión perpendicular a la fibra

1.7

2.3

 

Tabla 1. Valores característicos promedio (MPa) de resistencia de la Guadua angustifolia

Una de las aplicaciones de la Guadua angustifolia en obras geotécnicas es la estabilización de laderas con trinchos en guadua, la cual es una técnica empírica utilizada como sistema de contención de suelos en zonas rurales de Colombia, donde los taludes son de alta pendiente y pueden llegar a ser inestables. Este sistema es una alternativa de bio-ingeniería para la estabilización de taludes, y está constituido por la construcción en forma escalonada de muros con Guadua angustifolia, que conforman una serie de terrazas para tratamientos de recuperación de la cobertura vegetal. Los trinchos soportan la masa de suelo a través de una pared compuesta por guaduas organizadas horizontalmente que, a su vez, son soportadas por pilotes en guadua embebidos en el suelo para resistir la presión lateral transmitida. Así pues, el comportamiento estructural del trincho en guadua (deflexiones, deformaciones, resistencia, etc.) estará determinado por el comportamiento de sus pilotes, que cumplen la función de cimentación de la estructura de contención, al ser los encargados de transmitir la acción de las cargas hacia el suelo o roca de soporte en condiciones de seguridad y deflexiones tolerables bajo conceptos de estabilidad del talud.

4.    Aspectos Metodológicos

Los distintos modelos para el análisis por elementos finitos, fueron desarrollados teniendo en cuenta los siguientes parámetros:

4.1      Propiedades de la Guadua angustifolia

En este estudio se asume la Guadua angustifolia como un material transversalmente isótropo, según lo propuesto por Torres, et al. (Torres, et al., 2007), donde su comportamiento está definido por cinco constantes elásticas independientes, las cuales son: módulos de Young en dirección axial (Ez) y en dirección circunferencial (EØ = Er), coeficientes de Poisson radial-circunferencial (ν) y axial-circunferencial (ν), y un módulo cortante axial-circunferencial (G). Algunos valores característicos de estos parámetros reportados en literatura se observan en la Tabla 2. Las propiedades de la guadua utilizada en los modelos se muestran en la Tabla 3.

Parámetro

Autor

Inferior

Media

Superior

Prom.

 

 

Ez (MPa)

(Luna, et al., 2014)

8720

8100

10560

9127

EØ (MPa)

(Torres, et al., 2007)

620

470

340

477

(Luna, et al., 2014)

250

480

830

520

ν

(García, et al., 2012)

0.43

0.14

0.12

0.23

ν

 

(Ghavami & Marinho, 2005)

0.27

0.36

0.36

0.33

(Luna, et al., 2014)

0.36

0.36

0.33

0.35

G (MPa)

(García, et al., 2012)

651

501

591

581

(Luna, et al., 2014)

470

360

410

413

Tabla 2. Valores característicos de constantes elásticas de la Guadua angustifolia según sección del culmo.

 

Ez

EØ

ν

ν

G

MPa

MPa

 

 

MPa

11,270.0

500.0

0.25

0.31

500.0

Tabla 3. Propiedades de la Guadua angustifolia de los modelos.

4.2      Propiedades del suelo

En los distintos modelos, se trabajó con un suelo predominantemente friccionante (no cohesivo),­ cuyo comportamiento está determinado mediante el modelo constitutivo elasto-plástico Mohr-Coulomb. Esta teoría afirma que un material falla debido a una combinación crítica de esfuerzo normal y esfuerzo cortante. La envolvente de falla es una línea curva, que para los problemas de mecánica de suelo se aproxima como una función lineal (Coulomb, 1776). Esta envolvente es conocida como Criterio de Falla Mohr-Coulomb, y está determinada por la Ecuación 1.

 

                                                                                              Ecuación 1

Donde:

τf y σ     =          Esfuerzo cortante y esfuerzo normal efectivo sobre el plano de falla.

c y φ    =          Cohesión y ángulo de fricción efectiva del suelo.

El modelo Mohr-Coulomb es perfectamente plástico, por lo que el suelo no requiere ninguna ley de ablandamiento o endurecimiento después de alcanzar la falla (Potts & Zdravkovic, 1999:151) (Figura 1). Las propiedades del suelo de fundación y de relleno de los trinchos en guadua modelados se muestran en la Tabla 4.

 

Figura 1. Modelo elasto-plástico de Mohr Coulomb.

 

E

ν

γ

C

φ

MPa

 

KN/m3

KN/m2

 

40.0

0.33

15.7

0.0

30°/40°

Tabla 4. Propiedades del suelo de los modelos. Se varía el ángulo de fricción.

4.3      Interacción suelo-estructura

La interacción suelo-guadua está modelada a través de una interfaz, según las propiedades mostradas en la Tabla 5, donde el módulo de rigidez normal Kn y el módulo de rigidez cortante Kt está dado por la Ecuación 2, 3 y 4 (MIDAS Information Technology Co., Ltd., 2015:155)

 

 

 

 

 

 

 

 

R

tv

vi

Es

vs

Gs

Eoed,i

Kn

Kt

 

 

 

KPa

 

KPa

KPa

KPa

KPa

0.50

0.05

0.45

40,000.0

0.33

15,037.6

82,706.8

1,654.1

150.4

Tabla 5. Propiedades de la interfaz suelo-guadua de los modelos.

                                                                                                         Ecuación 2

                                                                                                        Ecuación 3

                                                                                      Ecuación 4

Donde:

 νi    =   Relación de Poisson de la interfaz. Se asume como 0.45.

Gs   =   Módulo de cizalladura del suelo dado por sus propiedades elásticas

tv   =     Espesor virtual. Varía entre 0.01~0.10 (entre más grande es la diferencia de rigidez entre el suelo y la estructura, más pequeño es el valor)

R   =     Factor de reducción de esfuerzos. Varía entre 0.1~1.0 (entre más grande sea la fricción entre el

suelo y la estructura, mayor es el valor)

4.4      Geometría

Es este trabajo se modelaron dos tipos de trinchos en guadua de forma simplificada: uno de ellos compuesto por pilotes en guadua embebidos en el suelo uno tras otro (Figura 2), otro comprendido de una pared compuesta por guaduas organizadas horizontalmente que, a su vez, son soportadas por pilotes en guadua embebidos en el suelo separados equidistantemente (Figura 3). hw representa la altura de la pared en voladizo del trincho, he la profundidad de embebido, s la separación entre ejes de los pilotes, y D es el diámetro externo de la guadua. En el segundo tipo de trincho, el suelo transmite una presión lateral q a las guaduas acomodadas horizontalmente (Figura 4.a), que a su vez es transmitida a los pilotes embebidos (Figura 4.b). Se modeló esta carga a través de una fracción de suelo en contacto directo con el pilote de guadua (Figura 4.c.), más una sobrecarga representada por una carga puntual Ea = qs1 + qs2 aplicada en el tercio de hw (esta altura se denomina hEa), según la teoría de presión activa de tierras de Rankine para suelos friccionantes (Rankine, 1857)(Figura 4.d).

En total se realizaron 18 modelos donde se varió la altura de pared del trincho (hw), el espaciamiento de los pilotes (s) y el ángulo de fricción interna del suelo (φ), tal como se muestra en la Tabla 6. Los valores promedios de las propiedades físico-mecánicas de la Guadua angustifolia y las propiedades de la interfaz suelo-guadua se mantuvieron constantes, al igual que las dimensiones he = 1.92 m, hs = 2.00 m, w1 = 6.00 m y w2 = 3.00 m. Adicionalmente, para todos los modelos la guadua se asume como un cilindro hueco de diámetro externo D = 0.120 m y espesor constante e = 0.015 m.

 

Figura 2. Trincho en guadua conformado por pilotes tangentes (s = D).

 

Figura 3. Trincho en guadua con pilotes separados equidistantemente (s > D).

 

Figura 4. Cargas laterales en modelado de trinchos en guadua.

 

 

No. Modelo  

he

hw

φ

s

Ea

hEa

m

m

°

m

KN

m

 

1.92

1.92

 30°

 

 

 

1.1

D

N/A

N/A

1.2

0.50

3.66

0.64

1.3

1.00

8.48

0.64

1.4

40°

D

N/A

N/A

1.5

0.50

2.39

0.64

1.6

1.00

5.53

0.64

 

 

 

 

 

1.92

1.44

 30°

 

 

 

2.1

D

N/A

N/A

2.2

0.50

2.06

0.48

2.3

1.00

4.77

0.48

2.4

40°

D

N/A

N/A

2.5

0.50

1.34

0.48

2.6

1.00

3.11

0.48

 

 

 

 

 

1.92

 0.96

 30°

 

 

 

3.1

D

N/A

N/A

3.2

0.50

0.92

0.32

3.3

1.00

2.12

0.32

3.4

40°

D

N/A

N/A

3.5

0.50

0.60

0.32

3.6

1.00

1.38

0.32

Tabla 6. Combinaciones de modelos realizados.

De esta manera, según la Tabla 5, el Modelo 2.2 corresponde al modelo simplificado de un trincho en guadua con profundidad de embebido de sus pilotes he = 1.92 m, altura de pared hw = 1.44 m, separación entre pilotes s = 0.50 m, y con un suelo friccionante de relleno y de soporte con un ángulo de fricción φ = 30°.

 

4.5      Modelación

La modelación con elementos finitos se realizó a través del software MIDAS GTS Nx. Para todos los modelos, el mallado de la guadua y el suelo se realizó a través de elementos tetraédricos de 0.1 m y 0.5 m de altura respectivamente (Figura 5), y se les realiza un análisis no lineal estático en condiciones drenadas del suelo. El número de nodos y elementos generados para cada modelo se muestran en la Tabla 7.

 

Guadua

Suelo

Interfaz

 

Nodos

Elementos

Nodos

Elementos

Nodos

Elementos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hw = 1.92 m

1,530

5,509

999

4,317

1,098

948

 

 

 

 

 

 

 

hw = 1.44 m

1,495

4,820

902

3,908

1,008

868

 

 

 

 

 

 

 

hw = 0.96 m

1,223

4,180

856

3,768

936

804

Tabla 7. Número de elementos y nodos según modelo.

 

Figura 5.a. Vista isométrica. b. Vista superior. Conexión nodal guadua-suelo. c. Conexión nodal guadua-suelo en base de guadua embebida.

5.    Resultados

 

5.1      Comportamiento del suelo

En la Figura 7 se ejemplifica el comportamiento típico del suelo en todos los modelos. En la columna izquierda se observan las deformaciones máximas por cortante del suelo, y en la derecha el estado plástico del suelo, en la cual se señala con puntos rojos las zonas donde el suelo ha pasado de un estado elástico a plástico, y con puntos verdes las fallas por tensión. En este caso, hw = 1.44 m y φ = 30°, se tiene para s = D, εmáx = 1%; para s = 0.5 m, εmáx = 11%; y para s = 1.0 m se presenta agrietamiento del suelo. Las deformaciones máximas se dan en el respaldo del trincho, cerca a su corona. El suelo empieza a deformarse plásticamente en la parte superior del trincho en guadua, punto donde se da el desplazamiento máximo, y a medida en que aumenta el espaciamiento s entre los pilotes de guadua, y por ende sus solicitaciones de carga, las deformaciones se incrementan a lo largo de la profundidad de embebido del pilote hasta desarrollar una falla por cortante profundo, similar a las fallas de fondo que se dan en otros sistemas de contención de suelo como las tablestacas  (U.S. Army Corps of Engineers, 1994). Los modelos 1.2, 1.3, 1.5, 1.6, 2.2. y 2.3, presentan falla fondo.

5.2      Desplazamientos

Antes de que se presente la falla en el suelo por el aumento de las solicitaciones de carga en el trincho, predominan los desplazamientos en dirección x, siendo los más críticos los de la corona del trincho. A medida que se desarrolla la falla de fondo, el suelo empieza a desplazarse siguiendo la línea de falla, lo que genera asentamientos en el respaldo del trincho, y abultamiento de suelo en la zona posterior (Figura 6). En cuanto al pilote del trincho en guadua, en él predominan los desplazamientos en dirección x, siendo los máximos los presentados en la corona del trincho. En la Tabla 8 se exponen los desplazamientos máximos para cada modelo en la corona del trincho, al igual que el desplazamiento que sufre el pilote del trincho en su base. Se observa una relación directa entre el desplazamiento máximo del pilote y la separación s entre pilotes, y una relación inversa entre el desplazamiento máximo del pilote y el ángulo de fricción del suelo.

 

Figura 6. Desplazamientos totales en modelo con hw = 1.44 y φ= 30 y s = 1.0 m. Falla de fondo.

 

 

Figura 7. Falla típica en modelos simplificados de trinchos en guadua. Modelos con hw = 1.44 y φ= 30°. Primera fila s = D. Segunda fila s = 0.5 m. tercera fila s = 1.0 m.

 

No. Modelo  

he

hw

φ

s

Desplaz. Corona

Desplaz. Base

M

m

°

m

mm

mm

 

1.92

1.92

 30°

 

 

 

1.1

D

9.58

0.89

1.2

0.50

FALLA DE FONDO

1.3

1.00

FALLA DE FONDO

1.4

40°

D

5.06

0.91

1.5

0.50

FALLA DE FONDO

1.6

1.00

FALLA DE FONDO

 

 

 

 

 

1.92

1.44

 30°

 

 

 

2.1

D

2.57

0.67

2.2

0.50

FALLA DE FONDO

2.3

1.00

FALLA DE FONDO

2.4

40°

D

1.34

0.68

2.5

0.50

7.41

0.28

2.6

1.00

19.39

0.14

 

 

 

 

 

1.92

 0.96

 30°

 

 

 

3.1

D

0.87

0.45

3.2

0.50

4.47

0.18

3.3

1.00

12.62

0.01

3.4

40°

D

0.56

0.46

3.5

0.50

1.84

0.22

3.6

1.00

4.28

0.20

Tabla 8. Desplazamiento en dirección de la presión de tierras (x) en corona de trinchos de guadua.

5.3      Reacción suelo – pilote de guadua

En la Figura 8 se muestra la forma típica de los esfuerzos generados por la interacción suelo-pilote de guadua en dirección perpendicular a la fibra de la guadua (XX). El diagrama de presiones advierte la no-linealidad del comportamiento del suelo. Asimismo muestra que los pilotes de los trinchos en guadua actúan como una estructura flexible y no como una estructura rígida. Las presiones del suelo disminuyen a medida que el ángulo de fricción interna del suelo crece, y tienden a disiparse conforme aumenta la profundidad de embebido del pilote. En la Tabla 9 se muestran los valores máximos a compresión perpendicular que soporta los pilotes de guadua, tanto en la cara que se encuentra en contacto con el relleno, como su cara libre (cara frontal). Si se comparan estos valores con los valores máximos de resistencia admisible a compresión perpendicular a la fibra expuestos en la Tabla 1, se evidencia que los modelos 2.6 y 3.3 fallarían por aplastamiento del pilote de guadua contra el suelo, por lo que este factor se convierte en un factor crítico a la hora de diseñar y construir este tipo de estructuras.

 

Figura 8 . Esfuerzo en dirección perpendicular a la fibra (XX) de pilote de trincho en guadua con pared hw = 0.96 m. y profundidad de embebido he = 1.92 m. Cara libre.

5.4      Comportamiento a flexión de pilote de trincho en guadua

En la cara que se encuentra en contacto con el relleno, las fibras longitudinales del pilote del trincho en guadua trabajan a tensión, tal como se ve al lado izquierdo de la Figura 9. Asimismo, en su cara libre (cara frontal) las fibras longitudinales trabajan a compresión, tal como se ve al lado derecho de la Figura 9. En la Tabla 9 se muestran los valores máximos a tensión y compresión para cada uno de los modelos, que si se comparan con los valores máximos de resistencia admisible a expuestos en la Tabla 1, se evidencia que antes de que falle los pilotes del trincho a flexión, fallará el suelo de su respaldo por falla de fondo.

No. Modelo  

he

hw

Φ

s

Esfuerzo perpendicular

Esfuerzo a flexión

Cara relleno

Cara libre

Cara relleno

Cara libre

m

M

°

m

KPa

KPa

KPa

KPa

 

1.92

1.92

 30°

 

 

 

 

 

1.1

D

62.3

132.7

2,274.6

2,358.8

1.4

40°

D

29.3

57.0

1,128.5

1,329.2

 

 

 

 

 

 

 

1.92

1.44

 30°

 

 

 

 

 

2.1

D

273.3

374.2

473.5

582.7

2.4

40°

D

103.4

235.8

162.5

320.6

2.5

0.50

960.9

1,419.6

1,925.8

1,729.6

2.6

1.00

2327.8

3,003.2

4,783.3

3,766.1

 

 

 

 

 

 

 

1.92

 0.96

 30°

 

 

 

 

 

3.1

D

58.3

138.9

130.4

249.9

3.2

0.50

594.3

1,016.7

1,358.0

1,435.4

3.3

1.00

1,559.8

2,403.7

3,698.0

3,271.6

3.4

40°

D

37.9

53.9

46.2

187.5

3.5

0.50

228.6

433.9

518.0

688.2

3.6

1.00

557.8

1,000.9

1,326.4

1,401.9

Tabla 9. Esfuerzo máximo a compresión perpendicular a la fibra y esfuerzo paralelo a la fibra de pilote de trincho en guadua. Cara relleno y cara libre. Se excluyen los modelos con falla de fondo.

 

Figura 7. Esfuerzo en dirección paralelo a la fibra (ZZ) de pilote de trincho en guadua con pared hw = 1.44 m y profundidad de embebido he = 1.92 m.

6.    Comentarios y conclusiones finales

 

 

Según los modelos evaluados a través del análisis por elementos finitos, los trinchos en guadua en suelos friccionantes presentan dos casos de falla: falla por cortante profundo del suelo (falla de fondo) ante el aumento de las solicitaciones de carga de los pilotes del trincho; falla por aplastamiento de los pilotes de guadua contra el suelo, debido a los esfuerzos perpendiculares a la fibra generados en la profundidad de embebido de los pilotes del trincho. El suelo friccionante falla ante muy bajos desplazamientos de la pared del trincho, por lo que se debe buscar a la hora de diseñar y construir este tipo de estructuras, la mayor rigidez posible del trincho en guadua. A la hora de realizar los rellenos de este tipo de estructuras con suelos friccionantes, se debe buscar la mayor densificación posible, ya que el comportamiento de la estructura es altamente sensible al cambio del ángulo de fricción interna, tanto del suelo de fundación como de relleno. La configuración de los trinchos en guadua como una estructura de pilotes tangentes, resultó ser la de mejor comportamiento estructural, al ser capaz de soportar las mayores alturas de relleno sin generar grandes desplazamientos por las solicitaciones de carga. Los pilotes de los trinchos en guadua se comportan como una estructura flexible en un medio no lineal, y presentan un comportamiento semejante al de los pilotes ante cargas laterales diseñados con ayuda de las curvas p-y. Para corroborar los resultados presentados en el presente estudio, es necesario calibrar los modelos con trinchos en guadua ensayados a escala real.

Bibliografía

-Coulomb, C. A., 1776. Essai sur une application des regies de Maximums et Minimis â quelques Problèmes de Statique, relatifs â l ’Architecture. Mémoires de Mathématique et de Physique, Volumen 3, p. 39.

-Janssen, J. J. A., 1981. Bamboo in building structures, Doctoral Thesis. Eindhoven: Eindhoven University of Technology.

-Londoño, X., 2011. El bambú en Colombia. Biotecnología Vegetal, Septiembre.11(3).

-MIDAS Information Technology Co., Ltd., 2015. User Manual MIDAS GTS NX, Seúl: MIDAS IT.

-Potts, D. M. & Zdravkovic, L., 1999. Finite element analysis in geotechnical engineering -Theory. Primera ed. Londres: Thomas Telford Publishing.

-Rankine, W. M., 1857. On the Stability of Loose Earth. Philosophical Transactions, Issue 147, pp. 9-27.

-Torres, L. A., García, J. J. & Ghavami, K., 2007. A Transversely Isotropic Law for the Determination of the Circunferential Young’s Modulus of Bamboo with Diametric Compression Test. Latin American Applied Research, Volumen 37, pp. 255-260.

-U.S. Army Corps of Engineers, 1994. Design of sheet pile walls. Washington, D.C.: Department of the Army.

Iván M. Tovara, Edward J. Sánchez a, Jeannette Zambrano Nájerab, Jorge Julián Vélezb, Juan José Montoya Monsalvec Lilian Posada Garcíad, Claudia Yaneth. Contrerase, Nelson Omar Vargase

 

a Especialización en Ingeniería Hidráulica y ambiental, Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales.

b Universidad Nacional de Colombia -Sede Manizales.

c Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales – IDEAM.

d Universidad Nacional de Colombia -Sede Medellín.

e Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales – IDEAM.

 

PRESENTACIÓN.

El diseño de redes de monitoreo de sedimentos es estratégico para planificar y gestionar adecuadamente los recursos hídricos, lo que incluye el diseño de estructuras hidráulicas, el estudio del comportamiento de las corrientes, la estimación de tasas de erosión, transporte, depositación, la transferencia de sedimentos a otros cuerpos de agua, el transporte de contaminantes, el diseño de medidas de restauración de ríos degradados, entre otros. Por tal motivo en el presente documento se presentan los resultados de la investigación que trata de encontrar la influencia de las características geomorfológicas predominantes a lo largo de la red de drenaje en cuencas tropicales sobre la producción de sedimentos; y su incidencia directa en la ubicación de puntos de monitoreo sedimentológicos. Con la finalidad de construir una propuesta metodológica para el diseño de una red permanente y óptima que además sea idónea para zonas tropicales y sea basada en las características propias de las cuencas y las corrientes fluviales. De forma tal que el resultado sea una red de monitoreo que este en la capacidad de registrar variables hidráulicas, hidrológicas y de sedimentos en el sitio idóneo y que sea representativo y permita ser parte de una línea base y sirva para posteriores estudios.

 

 

 

OBJETIVOS

·         Recopilación y Análisis de información geomorfológica de la cuenca y parámetros geomórficos del cauce.

 

·         Identificación y análisis de características geomorfológicas en cuencas y su relación directa en la producción de sedimentos.

 

·         Construcción de una metodología que permita ubicar puntos estratégicos de monitoreo de sedimentos fundamentados en las características físicas del sitio.

 

 

MARCO TEÓRICO

 

Para cuantificar los procesos de la dinámica de sedimentos es importante, implementar redes de monitoreo permanentes y en puntos estratégicos. Los beneficios a corto plazo de este tipo de redes incluyen contar con información disponible y relevante para determinar las cargas de sedimentos y la evaluación de los procesos de sedimentación en corrientes fluviales. Adicionalmente, a largo plazo se pueden identificar tendencias en lo relativo a los procesos de erosión.

 

El Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia-IDEAM viene realizando el monitoreo de los sedimentos desde hace más de 40 años. La red existente ha sido desarrollada, algunas veces para atender necesidades de proyectos puntuales (Universidad Nacional de Colombia sede Manizales, 2015), pero generalmente con base en experiencias extranjeras sin tener en cuenta condiciones propias de las regiones tropicales como la alta variabilidad de las características físicas del paisaje que a su vez determinan una alta variabilidad hidroclimatológica.

 

En Colombia, el programa de monitoreo de variables sedimentológicas está basado en normativas internacionales propuestas por la Organización Meteorológica Mundial (WMO, 2003) y otras entidades como el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS, 2015). Estas metodologías convencionales fueron evaluadas (EPAM, 2011a), donde se mencionan técnicas como las establecidas por la Organización Meteorológica Mundial (WMO, 2003), la que se basa en establecer un número de estaciones por área de influencia según su ubicación en zonas de costas, montañas, planicies, regiones montañosas/onduladas, islas y/o regiones polares; también se mencionan métodos estadísticos para el análisis de series históricas de variables climatológicas como el método de la Entropía o los métodos Geoestadísticos (EPAM, 2011b). La Organización Meteorológica Mundial también recomienda que cuando se disponga de datos, se apliquen técnicas de análisis matemático con el fin de optimizar el diseño de la red y que la labor de macrolocalización sea sistematizada en la medida de lo posible para evitar sesgos (WMO, 2003).

De manera, que esas metodologías deben ser adaptadas a las condiciones del trópico donde predomina la alta variabilidad morfológica y climatológica. Adicionalmente, deben considerar parámetros que reflejen la dinámica de los sedimentos que varía con la geomorfología de la cuenca, el uso y cobertura del suelo, la granulometría de los sedimentos, entre otros. Por tal motivo, surge un especial interés en la elaboración de una metodología que permita el rediseño de la red de monitoreo para variables sedimentológicas.

La metodología se fundamenta en el hecho de que la producción de sedimentos es función de la interacción entre parámetros geológicos, hidrológicos y climáticos, así como de los cambios introducidos por la actividad antrópica en el sistema fluvial (Knighton, 1998; Ludwig & Probst, 1998). A nivel internacional se ha intentado definir estos criterios, ante lo cual algunos autores coinciden en que la producción de sedimentos es controlada en su gran mayoría por la actividad tectónica y la configuración del relieve, mientras que parámetros climáticos como la precipitación, la escorrentía y la temperatura tienen un papel secundario.

Por otra parte, también se ha podido establecer que las cuencas tropicales presentan magnitudes relativamente altas de producción de sedimentos, comparadas con los valores reportados en cuencas de otras zonas geográficas (Milliman & Syvitski, 1992). Así como el hecho de que la producción de sedimentos se caracteriza por una fuerte variabilidad espacial y temporal, relacionada con los procesos tectónicos, geomorfológicos y climáticos que identifican estas zonas y particularmente con la ocurrencia de eventos de alta intensidad (i.e. sismos, fenómenos de remoción en masa, tormentas torrenciales) (Stallard, 1988; Thomas, 1994).

Por tanto, en el presente trabajo se propone una metodología que considera tres grupos de variables (Figura 1): 1) las asociadas a las condiciones naturales de la cuenca, 2) las asociadas a factores antrópicos y 3) las estaciones hidrológicas existentes (información de caudales líquidos). Figura 1. Parámetros que definen los procesos de producción, transporte y depositación de los sedimentos. (Elaboración propia)

 

 

 

 

Los factores físicos tienen en cuenta la geomorfología de la cuenca, la densidad de drenaje, la topografía y la forma de la cuenca, los que están directamente involucrados con la capacidad de la cuenca de evacuar los flujos de escorrentía y por ende los sedimentos (Posada García, 1994; USDA, 1983).

Los factores antrópicos hacen referencia a aquellos factores de intervención del hombre que aceleran o desaceleran los procesos de producción de sedimentos y modifican la dinámica del mismo. Se analizarán factores a escala de cuenca y no aquellos puntuales como la minería o la urbanización.

Por último, se debe tener en cuenta que la red de monitoreo hidro-sedimentológico depende de los datos de caudales líquidos, de manera que se dará prelación a aquellas estaciones de monitoreo sedimentológico que estén cercanas o en el punto exacto de las estaciones hidrológicas.

 

ESTADO DE LA INVESTIGACIÓN

 

Metodología propuesta

Actualmente, la investigación cuenta con resultados preliminares ya que una vez definida la metodología esta se aplicó a doce subcuencas: Bajo Saldaña, Río Claro, Alto Cesar, Arroyo Corozal, Amaime, Nare, Tapias, Chicamocha, Fortalecillas, Yaguará, Coello y Fonce.

El procedimiento consiste en 6 pasos: 1) Procesamiento de la información e identificación de tributarios principales, 2) Definición de parámetros físicos y revisión de dinámica geomorfológica, 3) Accesibilidad a la estación, 4) Generación de mapas de actividad antrópica, 5) Localización de estaciones previas y comparación de ubicación, 6) Localización definitiva.

La metodología parte del procesamiento del Modelo de Elevación Digital (MED) de la subzona; en primer lugar se realiza el ajuste por medio del recondicionamiento del MED de forma tal que se corrijan los errores espaciales y de elevación. Posteriormente, se define la red de drenaje, los órdenes de la misma y el río principal, así como las pendientes, acumulaciones de flujo y direcciones de flujo. Con esta información se obtiene el perfil del río principal, sobre el cual se realizará el análisis en paralelo con la información de la cuenca. A partir de los órdenes identificados se definen los principales tributarios al río revisando la información de la cuenca por izquierda y por derecha (Figura 2,3 y 4)

 

 

El siguiente paso consiste en extraer la información de estos mapas y organizarla para lograr visualizar los parámetros. En lo relativo a los aspectos geomorfológicos se seleccionaron los parámetros: densidad de drenaje, pendiente media de la cuenca y del cauce principal y altura media de la cuenca. Para determinar la ubicación de la estación teniendo en cuenta los factores físicos, se observan cambios significativos en dichas propiedades como se observa en la figura 7.

 

 

De manera que se observan cambios significativos en las pendientes del cauce para los que han sido definidas de manera preliminar zonas con cambios mayores al 1%, también se analizan pendientes de cuenca mayores al 30% donde tradicionalmente se considera zonas de producción. De forma paralela se estudia el componente geológico de la corriente, ubicando los puntos dónde ocurren cambios litológicos significativos (Se buscan cambios significativos de la litología para determinar su tendencia a ser erosionada –Figura 8-9), así como las fallas

geológicas.

 Una combinación de estos aspectos permite definir una ubicación preliminar de los puntos. Figura 8.

 

 

Una vez definida una ubicación tentativa de la red, se analizan los factores antrópicos, donde se agrupan los criterios asociados a los procesos erosivos como el uso y la cobertura del suelo y las prácticas agrícolas. Estos factores permiten evaluar la tendencia de un suelo a ser erosionado por causas hídricas (Figura 10).  

 

Por último, se debe tener como base la existencia de estaciones hidrológicas o de sedimentos ya que la red de monitoreo de sedimentos debe ser paralela a la red hidrológica. La ubicación final de las estaciones estará determinada por dichas estaciones.

 

APORTES DE LA INVESTIGACIÓN A LA TOMA DE DECISIONES

 

La metodología fue aplicada mediante el análisis descriptivo y geomorfológico de las doce Subzonas que forman parte de la cuenca Magdalena-Cauca en Colombia descritas anteriormente. A continuación se presentan los resultados de dos Subzonas que cuentan con una buena representación de la variabilidad altimétrica y climatológica de la cuenca Magdalena-Cauca.

 

 

 Las 12 subzonas seleccionadas presentan características bastante variables, lo que permite incluir un rango amplio de característica El análisis permite definir el perfil del cauce principal (Figura 11), en el cual se ubica información sobre las estaciones existentes, así como las estaciones propuestas, las cuales están ubicadas teniendo en cuenta los cambios de pendiente, las variaciones litológicas importantes, la presencia de fallas geológicas y en los cambios más significativos en las propiedades geomorfológicas entre afluentes, y con especial atención en los puntos de confluencia.

 

Del trabajo preliminar realizado, al cual aún le falta el proceso de validación, se observa que el número de estaciones existentes de sedimentos es bajo aún, de manera que si se tienen en cuentas las zonas de producción y transporte en la mayoría de los casos se requiere por lo menos el doble de estaciones de las actuales (Figura 12). 

APORTES DE LA INVESTIGACIÓN A LOS TEMAS DE LA REGIÓN

La aplicación de esta metodología dio como resultado un red de monitoreo de sedimentos basada en el estudio de parámetros geomorfológicos y antrópicos. Específicamente el resultado son puntos ubicados a lo largo del perfil del río principal que permiten un análisis fractal para estudiar con la misma metodología las intercuenca resultantes.

De esta manera, el trabajo aporta una metodología que permite diseñar de manera óptima una red de monitoreo de sedimentos para el control y seguimiento de cuencas. Esta incluye un proceso de análisis hidrológico mediante herramientas SIG y el estudio e investigación de la influencia de factores antrópicos, factores naturales y la preexistencia de estaciones hidrometeorológicas en el diseño de la red de monitoreo. Esta metodología es versátil porque al tener criterios establecidos con una metodología de cálculo clara puede ser implementada por diversos actores según sus objetivos de diseño de la red.

Es una metodología práctica que requiere información accesible como los modelos de elevación digital, así como también la herramienta principal para la construcción de la metodología es de fácil manejo, que en conjunto con el criterio y la investigación conforman una red de monitoreo sedimentológica ligada a las características físicas propias de las regiones, dado que el número de estaciones resultado de la aplicación de esta será el adecuado para las variaciones climáticas, topográficas y propias del lecho.

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