GEOL 4017: Cap. 5 Prof. Lizzette Rodríguez Procesos fluviales GEOL 4017: Cap. 5 Prof. Lizzette Rodríguez

Introduccion Corrientes - proceso superficial mas importante que le da forma a la superficie de la Tierra Ej. placas tectonicas y volcanismo son responsables por grandes cadenas montanosas, pero los procesos por los que pasan las montanas ocurren debido al agua Tambien pueden ser amenazas catastroficas

Distribucion de H2O en la Tierra

Variables de procesos de corriente Ciclo hidrologico: ciclo continuo desde oceanos a la tierra y de regreso a los oceanos Evaporacion en oceano -- llevada sobre continentes por circulacion atmosferica donde ocurre precipitacion (parte interceptada por vegetacion, parte se evapora, parte regresa a la atmosfera por plantas, parte infiltra la tierra, parte se almacena temporalmente en glaciares, parte runs off en corrientes) Regreso del agua al oceano

Balance del agua en la Tierra

Cont. Variables de procesos de corriente Discharge/caudal en corrientes – viene de la precipitacion Precipitacion = runoff (25-40%) + intercepcion (de humedad por vegetacion u otros materiales) + almacenamiento (temporero, como nieve o agua subterranea antes de ser runoff) Intercepcion = evapotranspiracion + evaporacion + infiltracion Caudal = ancho x profundidad x velocidad

Relacion del caudal con la velocidad, profundidad y ancho de la corriente

Cont. Variables de procesos de corriente Precipitacion: muy variable Medir con “rain gauges” – importante para medir intensidad (cantidad de precipitacion que cae por unidad de tiempo en la superficie) Medir magnitud usando intervalo de recurrencia (RI) = # de anos del record/# de veces que una tormenta de magnitud definida ha sido igualada o excedida duracion – tiempo que precipitacion con una intensidad determinada dura. Intensidad es inversamente proporcional a la duracion y al intervalo de recurrencia Precipitacion antecedente: precipitacion antes de un evento

Cont. Variables de procesos de corriente Intercepcion Cantidad de precipitacion que cae y no llega a tierra Vegetacion (tipo de planta-ej. coniferos vs. deciduous trees, intensidad y duracion de lluvia, T y humedad del aire, estacion del ano) u otras cosas que cubren la tierra Evapotranspiracion: la mayoria de la precipitacion se evapora a la atmosfera o transpira (difusion de vapor de H2O a la atmosfera por plantas). Agua filtra a traves de vegetacion a superficie: “throughfall” (goteando) o “stemflow” (hacia abajo en los troncos).

Cont. Variables de procesos de corriente Infiltracion Agua que entra al suelo y es almacenada temporalmente Depende de: habilidad del suelo de aceptar H2O de la superficie y permitir que percole, rapidez de abastecimiento de agua a la superficie Controla el runoff

Cont. Infiltracion H2O se mueve en el suelo y puede llegar a descargar en corrientes, pero una porcion va hacia arriba en las raices y regresa a la atmosfera por evapotranspiracion Factores que controlan rapidez de infiltracion: vegetacion, saturacion y permeabilidad del suelo (mejor en granos grandes), pendiente Rapidez de infiltracion – inversamente propocional a pendiente

Cont. Variables de procesos de corriente Runoff En los hillslopes superiores, el runoff se concentra en surcos de escurrimiento (rills), que alimentan quebradas o barrancas (gullies) grandes, que eventualmente van a corrientes mas grandes Bordes del flujo y el caudal (volumen de flujo por unidad de tiempo, velocidad promedio x area de corte transversal) – regulan la velocidad y turbulencia Q = VA = wdv; Q=discharge/caudal, V=volumen, w=ancho, d=profundidad, v=velocidad Velocidad de flujo aumenta con aumento en caudal Area = w x d, perimetro mojado = w + 2d

Canal de corriente

Inundaciones Agua se derrama sobre el banco del rio, porque se supera la capacidad del canal Mayormente por precipitacion fuerte (lluvia o nieve), ej. en Asia una tormente en 3 dias causo 6’ 8” de lluvia, equivalente a 2.5 meses de lluvia normal continua Calcular el caudal durante inundacion – necesita velocidad (flow meter), ancho y profundidad (stage height) Flood stage: se alcanza cuando el stage height supera la altura del canal Flood crest: cuando se alcanza el maximo stage height Flood hydrograph: descarga de corriente vs. tiempo Intervalos de recurrencia de grandes inundaciones (Q vs. RI) Ej. gran inundacion del Rio Mississippi en 1993

Cont. Inundaciones Inundaciones por rotura de represas Liberacion subita de grandes cantidades de H2O -- grandes inundaciones desastrosas rio abajo Ej. refuerzo (abutment) de represas es roca de poca resistencia o soluble en agua Inundaciones por glaciares Liberacion subita de H2O aguantada por “represas de glaciares” – infrecuentes, ej. en Islandia Causado las mas grandes inundaciones del mundo – dejan grandes canones, por la erosion del agua

Cont. Inundaciones Reconstruccion de caudales de corriente usando analisis de paleoinundaciones Estimar frecuencia de grandes inundaciones, cuando el RI es mayor al tiempo en record Tecnicas: Calculos de velocidad, shear stress hidraulico y potencia de corriente, usando el tamano de bloques transportados Sedimentos depositados en tributarios (arenas finas, arcillas) – depositados cuando velocidad disminuye rapidamente Efectos en vegetacion en el area inundable (floodplain) Modelos hidraulicos Erosion por inundacion Dimensiones de los canales Truncation (cortes) de los abanicos tributarios

Cont. Inundaciones Cont. paleoinundaciones Reconstruccion depende de la preservacion de secuencias estratigraficas de los sedimentos (slack-water sediments) – ocurren donde los depositos son grandes y donde el area esta protegida de erosion por inundaciones subsiguientes Distincion de unidades en una misma inundacion es posible en areas semiaridas, donde no hay mucha vegetacion y la formacion de suelos es mas lenta

Velocidad de flujo (flow velocity) Funcion de la conversion de E potencial a cinetica del H2O a medida que cae por Fg Fp = Fgsinq, Fp componente paralelo (aumenta con pendiente) Shear strength del H2O = 0, fluido viscoso Newtonian, deformacion continua bajo cualquier estres En movimiento, H2O adquiere momentum (tendencia a permanecer en movimiento): M = masa x velocidad (depende de la friccion) v promedio = promedio de v a profundidades de 0.2 – 0.8 de la distancia de la superficie al fondo Gradiente de velocidad = razon de cambio de v del H2O fluyendo en un canal, determina el hydraulic shear contra las paredes del canal y el fondo

Hydraulic shear (corte hidraulico) Ocurre porque la v aumenta alejandonos del fondo Serie de capas de agua paralelas y delgadas, moviendose una encima de la otra a diferentes velocidades – ocurren hydraulic shearing stresses entre las capas Hydraulic shearing stress: se genera por la resistencia con la cual cada capa paralela de agua se mueve sobre la que tiene debajo Proporcional a la diferencia en v de una capa a la otra t = m (dv/dy), m = viscosidad, dv = razon de cambio de v, dy = razon de cambio en distancia, dv/dy = diferencia en gradiente de v entre capas

Flujos Flujos son laminares o turbulentos: Laminar: particulas de agua fluyen en trayectorias rectas que son paralelas al cauce, sin mezclarse, velocidad de flujo es menor, canal suave, raro en corrientes naturales, excepto por el channel bed Turbulento: el agua se mueve de forma erratica y hay mezcla, remolinos turbulentos, velocidad de flujo es mayor, perturbaciones, aspereza del canal, irregularidades del canal Reynolds number Rn (sin dimension): medida de las condiciones necesarias para flujos laminares y turbulentos Rn = (rdv)/m; r=densidad, d=profundidad, v=velocidad, m =viscosidad Rn<500 = flujo laminar; Rn>1200 = flujo turbulento

Flujos turbulentos 2 tipos Streaming flow = mas comun Shooting flow = en velocidades mas altas Froude number F = v/((gd)1/2) F<1: streaming flow F>1: shooting flow

Cont. Flujos turbulentos Distribucion de material aluvial (depositos en el fondo) afecta la aspereza del canal Particulas granulares (arenizcas finas - pebbles pequenas) forman ripples, dunas, antidunas, y aumentan la aspereza. Estas a su vez pueden migrar con la corriente Parte del canal adyacente al perimetro mojado: donde ocurre mas friccion, mayor cambio en velocidad, turbulencia, hydraulic shear

Efecto de pendiente o gradiente Afecta el componente paralelo de Fg Velocidad: directamente proporcional a pendiente Aumento en v por aumento en pendiente tiene mayor efecto en transporte del bed load (carga de fondo) que aumento en v por aumento en el caudal de la corriente Mayor v en aguas someras = gradiente de v es mas empinado -- intensifica transporte Profundidad del canal controla la v maxima que se puede desarrollar sin que haya erosion del fondo del canal

Efecto de la carga (load) Corrientes transportan gran cantidad de material rocoso a los oceanos cada año La carga de sedimento abastecida a una corriente depende de: Relieve topografico (determina Fg + Ep en pendientes, aumento causa mayor rapidez de denudacion/erosion) Litologia del material que forma la pendiente (naturaleza de detritos producidos por meteorizacion y erosion) Clima (precipitacion afecta rapidez de meteorizacion y erosion) y vegetacion (afecta rapidez de erosion) Naturaleza de procesos actuando en la cuenca de drenaje (ej. entrada de un glaciar a la cabecera de un sistema)

Mecanismos de transporte de carga Solucion (dissolved load) Mayor % por met quim, runoff en tributarios, aguas subterraneas Transporte de material disuelto es mas continuo, pero su influencia es menor que la de transporte por carga clastica Flotacion Depende de fenomenos de “rafting” – menores en general pero localmente pueden ser importantes Fragmentos pueden ser llevados por tension de superficie, burbujas, hielo y vegetacion

Cont. Mecanismos de transporte de carga Suspension Particulas clasticas de tamano pequeno (limo o arcilla) pueden ser llevadas mecanicamente en suspension por corrientes Flujo turbulento es necesario para transportar carga suspendida – genera movimientos con componentes hacia arriba Para que un grano este suspendido, su velocidad de sedimentacion (settling) Vs ≤ velocidad turbulenta Vt Ley de Stokes gobierna Vs: Vs aumenta con r del grano y el cuadrado del radio de la particula

Carga suspendida

Cont. Mecanismos de transporte de carga Carga de fondo (bed load) Material granular que se mueve en fondo del canal Transporte por saltacion: transporte de sedimentos a traves de una serie de saltos o brincos (granos son levantados del fondo, se mueven corriente abajo hasta que caen nuevamente y se repite) Puede ser responsible de que la carga de fondo se cambie a carga en suspension Traccion Particulas ruedan y se deslizan a lo largo del fondo

Carga de fondo Ej. cantos rodados grandes

Cont. Mecanismos de transporte de carga Cont. Carga de fondo (bed load) Hydraulic shear stress necesario para mover particulas en el fondo Critical shear stress necesario para iniciar el movimiento Rapidez de transporte aumenta con el shearing stress Sixth-power law: aumento en v pequeno producira un aumento grande en el tamano de las particulas que se pueden mover Una particula en el fondo soporta una columna de agua encima, que ejerce una fuerza “tractive” critica, proporcional a la profundidad del agua y la pendiente del canal (importante en movimiento de particulas pequenas) Para iniciar movimiento: sobrepasar fuerza cohesivas y Fg

Corrientes meandrosas Generalmente tienen canales sencillos, sinuosos, pocas islas, canales profundos y estrechos Formas de canal mas comunes

Cont. Corrientes meandrosas Estilo de meandros se mide por el indice de sinuosidad S (longitud de corriente/longitud de valle, longitud de canal/largo de onda del meandro, etc.) Largo de onda y radio de meandro Largo de onda varia con el caudal: ej. grandes corrientes tienen meandros grandes Largo de onda y forma (principalmente grosor) del canal tambien estan relacionados al tipo de carga de sedimentos

Cont. Corrientes meandrosas Que causa las corrientes meandrosas? Evolucionan de canales derechos: fuerza de inercia del agua a medida que fluye alrededor de una vuelta causa que el agua trate de continuar fluyendo en linea recta -- ocurre erosion y se hace mas profundo el canal en el lado de afuera del meandro (cutting bank) Patron se llama “helical flow pattern” Barra de meandro (point bar) – velocidad es menor y ocurre deposicion del material erosionado del meandro anterior

Flujo de un meandro

Erosion en cutting bank de meandro – ej Erosion en cutting bank de meandro – ej. Rio Newaukum, WA: (A) enero 1965, (B) marzo 1965

Cont. Que causa las corrientes meandrosas? Meander cutoff o neck (estrangulamiento) – a medida que curvatura aumenta, 2 meandros se van uniendo Canal abandonado por meander cutoff permanece (forma de herradura o media luna): puede ser seco o formar un lago de media luna (oxbow lake), que eventualmente se secara

Formacion de estrangulamiento (neck, meander cutoff) y lago de media luna (oxbow lake)

Corrientes ramificadas (braided) Generalmente tienen poca sinuosidad, canales multiples que se dividen una y otra vez, numerosas islas, canales anchos y someros

Cont. Corrientes ramificadas Ocurren frecuentemente movimientos laterales de canales, barras e islas Pueden cortar (incise) sus canales activamente Se caracterizan por fluctuaciones rapidas en el caudal Diferencias entre corrientes meandrosas y ramificadas: meandrosas – canales estrechos y profundos, en riberas de material cohesivo (contenido alto de arcilla y limo) ramificadas – canales anchos y someros, en riberas de material menos cohesivo (arena con poca arcilla y limo)

Cont. Corrientes ramificadas Factor principal de ramificacion: control que ejerce la erosion de las riberas de la corriente sobre la razon ancho/profundidad. Razon aumenta con mayor erosion, por material menos cohesivo Pendiente de un tramo ramificado es mas empinada que la de uno meandroso, para un mismo caudal Radio hidraulico R (=A/Pw) es mayor para una corriente ramificada que para una meandrosa

Corriente en equilibrio (graded stream) Corriente que tiene las caracteristicas de cauce necesarias para mantener precisamente la velocidad necesaria para transportar el material que se le suministra Ha alcanzado un equilibrio entre el caudal, la carga, la pendiente y las caracteristicas del canal No erosiona ni deposita el material, solo lo transporta

Cont. Corriente en equilibrio Pendiente: es una curva concava hacia arriba Perfil longitudinal – mas empinado cerca de la cabecera y progresivamente mas suave hacia la desembocadura Depende de la relacion entre carga y caudal Caudal Volumen de flujo por unidad de tiempo Cambios afectan velocidad de la corriente, y ajustes ocurren para mantener equilibrio: cambios en la pendiente (por erosion o deposicion de particulas)

Perfil longitudinal de una corriente

Cont. Corriente en equilibrio Carga Corriente tiene que trabajar con cualquier carga suministrada por tributarios o los lados de lo valles Naturaleza de la carga depende de: Litologia de rocas meteorizadas y erosionadas de los lados de los valles (ej. lava produce bloques grandes) Pendiente y relieve topografico (pendientes y relieve bajo suelta material de grano fino a la corriente) Procesos de meteorizacion y erosion que operan en la cuenca de drenaje (ej. met quim en ambiente humedo suelta material fino) Vegetacion (afecta runoff y capacidad de mover material)

Cont. Corriente en equilibrio Cambios pendiente abajo en relaciones carga-caudal Caudal aumenta pendiente abajo a medida que corrientes tributarias contribuyen a la principal (cambios en pendiente ajustan equilibrio) Tamano de particulas en la carga disminuye pendiente abajo por abrasion – se requiere menor velocidad para transportar y la pendiente puede ser mas suave