INTRODUCCIÓN

En el diseño de obras de protección contra inundaciones se ha dado prioridad a los principios hidrológicos, ignorando el transporte de sedimentos (^{Chen y Sawin 2014}), no obstante este proceso constituye un factor determinante en la estabilidad y el funcionamiento hidráulico de un río (^{Fan et al. 2008}, ^{Csiki y Rhoads 2014}). Cuando se modifica el cauce de un río, en la mayoría de los casos se provoca un desequilibrio geomorfológico, como la construcción de infraestructuras lineales que se realizan para proteger zonas urbanas del desbordamiento de los ríos de planicies, durante las avenidas máximas (^{Naoura y Bennabitade 2011}). Pero se ha observado que en el mediano plazo, estas estructuras generan un aumento en los niveles, provocando de nuevo inundaciones, que cambian las condiciones de descarga y causan alteraciones en la hidrodinámica y geomorfología del río (^{Fan et al. 2008}, ^{Fahmy 2015}).

Los fenómenos que interactúan en los procesos fluviales en las estructuras de derivación, son complejos y se caracterizan por la presencia de flujos que varían de subcríticos a supercríticos (^{Arega et al. 2008}). Debido a la complejidad de los fenómenos, se deben observar como un sistema, por lo que para su comprensión y análisis se elaboran modelos numéricos, que permitan reproducir los procesos que ocurren al construir una estructura lateral de derivación y las tendencias evolutivas de su cauce (^{Minea y Zaharia 2011}). Además de tomar en cuenta las variables de flujo, de sedimentos, y los efectos por la variación del flujo líquido, que condicionan la capacidad de transporte de sedimentos (^{Rosier et al. 2011}, ^{Li et al. 2014}). Como alternativa para comprender y representar estos procesos de hidráulica fluvial, se tienen modelos bidimensionales, calibrados y validados con datos obtenidos en campo (^{Domeneghetti et al. 2014}), que generan modelos numéricos que simulan el comportamiento hidrodinámico de las estructuras de derivación o modelos físicos reducidos (^{CONAGUA 2008}). Los cuales también ayudan al entendimiento del funcionamiento hidráulico, aunque la dificultad para representar el transporte de sedimentos puede complicar el diseño (^{Dutta y Sen 2016}). Por lo anterior, el objetivo del trabajo fue determinar el transporte de sedimentos y la distribución de los flujos líquidos y sólidos entre el río de la Sierra y el vertedor de derivación El Censo.

MATERIALES Y MÉTODOS

El sitio de estudio se localizó en la región hidrológica RH30, cuenca rio Grijalva-Villahermosa RH30D, en el río de la Sierra en el estado de Tabasco. Pertenece a la subcuenca RH30Di, la cual tiene un área de 1 073.57 Km². El río de la Sierra vierte sus aguas en el rio Grijalva, atravesando la zona urbana de la ciudad de Villahermosa. El estudio se realizó en un tramo del cauce de 2.5 km, entre el sitio Pueblo Nuevo 1 (PN1) localizado a los 17.872291° LN y -92.869180° LO, y el sitio Pueblo Nuevo 2 (PN2) localizado a los 17.880599° LN y -92.873369° LO.

Se utilizó un perfilador de flujo Doppler (ADCP) River Ray y un muestreador integral de sedimentos en suspensión US-DH59 para medir los flujos de líquidos y sólidos. Fotografías aéreas y cartografía hidrológica y de infraestructura del ^{INEGI (2010a}, ^2010b), datos hidrométricos de la estación hidrométrica de Pueblo Nuevo, localizada a 17^o 51' 55.00” LN y 92^o 52' 8.00” LO, los niveles de la superficie libre del agua y los registros de aforo líquido diario del 2012 y 2013 de la ^{CONAGUA (2016)}, información del proyecto del vertedor lateral de derivación del sitio de estudio y los informes técnicos del diseño e implementación de los modelos físicos de estas estructuras elaborados por el Instituto de Ingeniería de la UNAM (^{CONAGUA 2008}). Con la información recopilada, se elaboró un sistema de información geográfica que se utilizó para realizar el análisis hidrodinámico y de transporte de sedimentos.

Secciones de aforo

Para caracterizar la zona, se realizaron recorridos por tierra y agua, identificando tres sitios con características hidráulicas adecuadas para medir los gastos de líquido y sólido. La primera se localiza en la estación de aforo PN1, la segunda en un tramo recto del río a una distancia de un kilómetro del vertedor lateral de derivación en el sitio denominado PN2 y la tercera sobre el vertedor lateral Censo (Figura 1).

Figura 1 Localización del sitio de estudio. 

Muestreo de sólidos suspendidos

La variación de la concentración de sedimentos en la sección transversal, se determinó con el muestreador integral US-DH-59, aplicando el método ETR, que determina el transporte de sedimentos mediante un volumen de muestra proporcional a la cantidad de flujo para cada vertical (^{Hudson 1997}). El muestreador integrado en cada vertical a la profundidad del río (US-DH-59) posee una válvula que controla el acceso del agua, para obtener muestras representativas de una vertical de medición. Para lo cual se hizo descender el muestreador hasta el fondo del río y se regresó a la superficie en una vertical de medición a velocidad constante, que estuvo en función de la velocidad de la corriente, la profundidad y el diámetro de la boquilla del muestreador, para tener una muestra integrada (Figura 2).

Figura 2 Sección del cauce para determinar el transporte de flujo sólido con el método ETR. 

RESULTADOS

Se obtuvieron los flujos líquidos y sólidos, así como la concentración de sedimentos en el río de la Sierra en el sitio PN1, sobre el río en el vertedor lateral, sobre la derivación lateral el Censo en la margen derecha y aguas abajo en el punto PN2. En la Tabla 1, se presentan los resultados obtenidos en las 14 mediciones de flujos líquidos (QL), flujo sólido (QS) y la concentración de sedimentos (CS). Cuando los niveles del río superan los 5.50 msnm, el vertedor lateral deriva flujo líquido y ocurre disminución del porcentaje de flujo líquido en la sección PN2 con respecto a la sección PN1, situación opuesta ocurre en el vertedor, ya que cuando aumenta el flujo líquido en PN1, se observa mayor porcentaje derivado en el vertedor el Censo (Figura 3). La tasa promedio de cambio de flujo líquido es de 0.4694 entre PN1 y PN2, y de 0.9851 entre PN1 y el Censo; situación opuesta se presenta en el comportamiento de los sólidos (Figura 4). En la sección PN2, se observa que el paso del flujo de sedimentos en su concentración se incrementa, con el aumento en el flujo líquido que se deriva por el vertedor lateral, con tasa promedio de cambio de flujo sólido de 0.7743 entre PN1 y PN2, y de 0.1065 entre PN1 y Censo.

Tabla 1 Distribución de flujos líquidos y sólidos. 

Figura 3 Relación de flujos líquidos de PN1 con las estaciones PN2 y Censo. 

Figura 4 Relación de flujos sólidos de PN1 con las estaciones PN2 y Censo. 

En la Figura 5 se observa la relación lineal del flujo líquido y la concentración de sedimentos, se aprecia que el río, a su paso por la estación de aforo PN1, transporta sedimentos con una tasa promedio de cambio de 0.0032 en relación al gasto líquido y, después de la derivación de flujos sobre el vertedor lateral, cambia a 0.0067, con incremento del 109.4%. En el flujo derivado por el vertedor lateral del Censo se observa un incremento en la tasa de cambio, lo que contrasta con la mayor proporción de caudal líquido que se deriva, por lo que influye en la mayor cantidad de sedimentos transportados.

Figura 5 Distribución de flujos líquidos y sólidos. 

DISCUSIÓN

Los resultados coinciden con los obtenidos en estudios de vertedores laterales en ríos de planicie, que fueron construidos con el propósito de mitigar inundaciones por desbordamiento, lo que confirma, que se reduce el nivel de la superficie libre del agua del río (^{CONAGUA 2008}). Lo que contribuye para evitar inundaciones, debido a que los vertedores alteran la distribución de flujos líquidos y de sedimentos, generando mayor concentración de sedimentos sobre el río aguas abajo del vertedor lateral (^{Rosier et al. 2011}, ^{Li W et al. 2014}, ^{Arnaud et al. 2015}). La concentración de sedimentos determina la forma del fondo del cauce, debido a la disminución de la capacidad de transporte de sedimentos, lo que causa un aumento en la deposición de sedimentos, particularmente aguas abajo del vertedor lateral. Esto mismo fue reportado por ^{Bhuiyan et al. (2007)} y ^{Wohl (2015)} quienes indican que los vertedores de derivación, modifican los patrones de sedimentos en los ríos y en el caso de los ríos de planicie, cuando las derivaciones de los flujos excedentes se conducen hacia las llanuras de inundación, provocan cambios en la hidrodinámica del río (^{Rosier et al. 2011}). Los cambios en la distribución de los sedimentos observados, provocan aumento en la concentración de sedimentos que continúan por el río después de la derivación lateral, lo que afecta el funcionamiento hidráulico del río, al respecto ^{Fan et al. (2008)} indican que esto produce aumento del nivel del río, y provoca inundaciones.

CONCLUSIONES

Se obtuvo la tasa de cambio de la tasa de sedimentos en suspensión, por efectos del vertedor lateral en un río, lo que provoca cambios en la morfología e hidrodinámica del cauce. La modificación de los patrones de hidrodinámica y el transporte de sedimentos, generan importantes volúmenes de deposición de sedimentos que alteran el funcionamiento natural del río, lo que se hace más notable entre la escotadura y la continuidad del río en la sección de aforo PN2, donde se tiene mayor concentración de sedimentos. Se tuvo interdependencia entre comportamiento de los flujos líquidos y de sedimentos ligado a las condiciones fisiográficas del cauce, la cuenca y el volumen líquido transportado, que da lugar al flujo bifásico con las características específicas de un río de planicie.