Competencia en el flujo

La potencia del flujo es la tasa de pérdida de energía potencial por unidad de longitud del canal. ^{[ 7 ]} Esta energía potencial se pierde al mover partículas a lo largo del lecho del flujo.

$${\displaystyle \Omega =\rho _{w}gQS}$$

dónde${\displaystyle \Omega }$es la fuerza del flujo,${\displaystyle \rho _{w}}$es la densidad del agua,${\displaystyle g}$es la aceleración gravitacional ,${\displaystyle S}$es la pendiente del canal, y${\displaystyle Q}$es el caudal del arroyo.

El caudal de un arroyo,${\displaystyle Q}$, es la velocidad de la corriente,${\displaystyle U}$, multiplicado por el área de la sección transversal ,${\displaystyle A_{\mathrm {CS} }}$, del canal de la corriente en ese punto:

$${\displaystyle Q=UA_{\mathrm {CS} }}$$

en el cual${\displaystyle Q}$es el caudal del arroyo,${\displaystyle U}$es la velocidad media de la corriente, y${\displaystyle A_{\mathrm {CS} }}$es el área de la sección transversal del arroyo.

A medida que aumenta la velocidad, también lo hace la potencia de la corriente, y una mayor potencia de la corriente corresponde a una mayor capacidad para mover las partículas de fondo.

Para que se produzca el transporte de sedimentos en canales de lecho de grava, la fuerza del flujo debe superar un umbral crítico, denominado umbral crítico de arrastre o umbral de movilidad. El flujo sobre la superficie de un canal y llanura de inundación crea un campo de esfuerzo cortante límite . A medida que aumenta el caudal, el esfuerzo cortante aumenta por encima de un umbral y comienza el proceso de transporte de sedimentos. Una comparación de la fuerza del flujo disponible durante un caudal dado con el esfuerzo cortante crítico necesario para movilizar el sedimento en el lecho del canal nos ayuda a predecir si es probable que se produzca o no el transporte de sedimentos y, en cierta medida, el tamaño del sedimento que probablemente se mueva. Aunque el transporte de sedimentos en ríos naturales varía enormemente, se suelen utilizar aproximaciones relativamente simples basadas en experimentos sencillos en canales para predecir el transporte. ^{[ 8 ]} Otra forma de estimar la competencia del arroyo es utilizar la siguiente ecuación para el esfuerzo cortante crítico:${\displaystyle \tau _{c}}$que es la cantidad de esfuerzo cortante necesaria para mover una partícula de cierto diámetro. ^{[ 9 ]}

$${\displaystyle \tau _{c}=\tau _{c}^{\ast }(\rho _{s}-\rho _{w})gd_{50}}$$

dónde:

${\displaystyle \tau _{c}^{\ast }=}$Parámetro de Shields, un valor adimensional que describe la resistencia del lecho del arroyo a la aceleración gravitacional, también descrito como rugosidad o fricción,

${\displaystyle \rho _{s}=}$Densidad de partículas y${\displaystyle \rho _{s}-\rho _{w}}$es la densidad efectiva de la partícula cuando está sumergida en agua (principio de Arquímedes). ^{[ 10 ]}

${\displaystyle g=}$Aceleración gravitacional.

${\displaystyle d_{50}=}$diámetro del grano, que generalmente se mide como d50, que es el diámetro medio de las partículas al muestrear los diámetros de las partículas en un transecto de un arroyo.

La tensión cortante de una corriente se representa mediante la siguiente ecuación:

$${\displaystyle \tau =\rho _{w}gDS}$$

dónde:

${\displaystyle D=}$profundidad media

${\displaystyle S=}$pendiente del arroyo.

Si combinamos las dos ecuaciones obtenemos:

$${\displaystyle \rho _{w}gDS=\tau _{c}^{\ast }(\rho _{s}-\rho _{w})gd_{50}}$$

Despejando el diámetro de la partícula d obtenemos

$${\displaystyle d_{50}={\frac {\rho _{w}DS}{\tau _{c}^{\ast }(\rho _{s}-\rho _{w})}}}$$

La ecuación muestra el diámetro de la partícula,${\displaystyle d_{50}}$es directamente proporcional tanto a la profundidad del agua como a la pendiente del lecho del arroyo (caudal y velocidad), e inversamente proporcional al parámetro de Shields y a la densidad efectiva de la partícula.

Las diferencias de velocidad entre la parte inferior y superior de las partículas pueden generar sustentación . El agua fluye por encima de la partícula, pero no por debajo, lo que resulta en una velocidad nula en la parte inferior y no nula en la parte superior. Esta diferencia de velocidades genera un gradiente de presión que ejerce una fuerza de sustentación sobre la partícula. Si esta fuerza es mayor que el peso de la partícula, esta comenzará a desplazarse. ^{[ 11 ]}

Los flujos se clasifican como laminares o turbulentos . Los fluidos de baja velocidad y alta viscosidad se asocian con el flujo laminar, mientras que los de alta velocidad y baja viscosidad se asocian con el flujo turbulento. Los flujos turbulentos generan velocidades que varían tanto en magnitud como en dirección. Estos flujos erráticos ayudan a mantener las partículas en suspensión durante períodos de tiempo más prolongados. La mayoría de los canales naturales se consideran de flujo turbulento. ^{[ 7 ]}

Otra propiedad importante que entra en juego al hablar de la competencia de un arroyo es la calidad intrínseca del material. En 1935, Filip Hjulström publicó su curva, que tiene en cuenta la cohesión de la arcilla y algunos limos. Este diagrama ilustra la competencia de un arroyo en función de la velocidad. ^{[ 12 ]}

Al observar el tamaño de los cantos rodados, rocas, guijarros, arena, limo y arcilla en los arroyos y sus alrededores, se pueden comprender las fuerzas que dan forma al paisaje. En última instancia, estas fuerzas están determinadas por la cantidad de precipitación , la densidad de drenaje , la relación de relieve y el material parental del sedimento. ^{[ 7 ]} Estas fuerzas dan forma a la profundidad y la pendiente del arroyo, la velocidad y el caudal, el cauce y la llanura aluvial, y determinan la cantidad y el tipo de sedimento observado. Así es como la fuerza del agua mueve y moldea el paisaje a través de la erosión , el transporte y la deposición, y esto se puede comprender observando la competencia del arroyo.

La competencia de un arroyo no depende únicamente de la velocidad. El lecho rocoso del arroyo influye en dicha competencia. Las diferencias en el lecho rocoso afectarán la pendiente general y el tamaño de las partículas en el cauce. Los lechos de arroyos con lecho de arenisca tienden a tener pendientes más pronunciadas y material de mayor tamaño, mientras que los lechos de esquisto y caliza tienden a ser menos profundos con un tamaño de grano menor. ^{[ 6 ]} Ligeras variaciones en el material subyacente afectarán las tasas de erosión, la cohesión y la composición del suelo.

Fuente: ^{[ 13 ]}

La vegetación influye en el caudal de un arroyo, pero su efecto es difícil de aislar. Una alteración en el flujo provoca una disminución de la velocidad del agua, lo que reduce la capacidad de la corriente. La vegetación tiene cuatro efectos sobre el caudal: resistencia al flujo, resistencia de las riberas, núcleo para la sedimentación en barras y formación y ruptura de atascos de troncos.