ModelaciónHidráulicaparalaExtracciónSostenibledeAgregadosparaConstrucción

provenientesdeRíosAluviales

Dr. Walter F. SilvaArayaCatedráticoDepartamento de Ingeniería Civil y AgrimensuraRecinto de MayagüezUniversidad de Puerto Rico

Francisco Rodríguez SantosBachiller en Ingeniería AmbientalEstudiante de Maestría en Ing. Civil.Recinto de MayagüezUniversidad de Puerto Rico

Agenda1. PuertoRico2. Balancedesedimentos yefectos deextracción de

materiales en losríos3. Problemática actual4. CasodePuertoRico5. ¿Qué entendemos porextracción sostenible?6. Metodología propuesta7. Modelo paratransporte desedimentos8. Simulación deoperaciones deextracción9. Casodestudio10. Conclusiones

PuertoRico

• Menor delasAntillas Mayores• Incluye dosislas más:ViequesyCulebra• Tercera isla más grande delosEstados Unidos• 580kmdecosta• Area:9,104km2

Hidrografía dePuertoRico• Ríosquedrenan hacia elnorte:

– GrandedeLoíza(65km)– Bayamón(40km)– LaPlata(80km)– GrandedeArecibo(55km)

• Ríosquedrenanhaciaelsuryoeste:– Culebrinas(45km)– GrandedeAñasco(65km)– Guanajibo(36km)

• Tiene15lagos,todosconstruidos– Generacion hidroeléctrica– Irrigación– 14,000kmderíos

Precipitación

76,2

55,88

5,842 9,398

154,94

111,76 114,3

134,62 134,62139,7

147,32

119,38

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Setiembre Octubre Noviembre Diciembre

PrecipitacionPromedio (mm)

Precipitación

Equilibriodesistemasfluviales• Sistemafluvialenequilibriodinámico:– Ancho,pendiente,profundidadsontalesquepermiten quenoocurran cambios significativosen unperiododetiempo largo.

– Elequilibrio sepierde porcambios en elcaudal,lapendiente,ladescarga desedimentos oeltamaño delossedimentos.

– Estos cambios sereflejan enerosión,sedimentación ocambios en lageometría

• Loscambios sepropagan...

Balancenaturaldesedimentos• Intervienen las fuentes desedimentos

ycapacidad detransporte derío• Suplidores:Lacuenca yerosión río

arriba• Capacidad detransporte:

– Tamañodelsedimento– Caudal– Geometría decanal– Hidráulica delcanal

• Degradación (erosión):– Salemás sedimento deloque entra

• Agradación (Deposición):– Entramás sedimento delque sale

Entradadeaguaysedimentos

Salidadeagua ysedimentos (volume)

Cambioen volumen =Entrada– SalidaNegativo:erosiona materialPositivo:sedimenta material

Equilibriodesistemasfluviales

https://www.as.uky.edu/sites/default/files/blogs_images/lanescale.png

• Inestabilidad en elsistema fluvial=perturbacion delequilibrio (Lane,1955)

Balancedesedimentos conintervención humana

• Factores humanos– Cambios oalteraciones enelrío:• Dragado• Canalizaciones• Limpieza• Cortesdemeandro

– Extracción demateriales– Represas yembalses– Cambios eneluso delatierra– Carreteras ypuentes producenalteraciones locales

Hablaremosdelaextraccióndematerialesdelosríosquesonusadoscomoagregadosparaelhormigónoparaaumentarcapacidaddelcauce.

Efectoshidráulicosdelaextracción

Efectoshidráulicosdelaextracción

• Excesodeextracciónpuedeocasionarquelarazónalaqueseextraeexcedalarazóndematerialdepositadonaturalmente

• Aumentalaposibilidaddesocavaciónenestructuras(pilastrasyestribosdepuentes)

Socavación en pilotes delPuentesobre elRíoInabón en carretera PR-52

Efectosambientales• Aumentosdeturbiedadimpacta

oeliminaelcrecimientodeplantasacuáticasporevitarpenetracióndelaluzsolar

• Laturbiedadaumentalatemperaturadelagua,reducelosnivelesdeoxigenodisueltoypuedecausarlamuertedelospecesysuslarvas

• Remocióndelsustratoporlamaquinariaafectaladiversidadacuáticaincluyendolugaresdedesovedepeces

Problemáticaactual• La problemática relacionada con la extracción de materiales y

dragado de ríos abarca muchos países• La industria de la construcción es una fuente importante de

ingresos en muchos países.• La extracción de materiales de ríos para agregados de hormigón

suple una necesidad• Las leyes y reglamentos ambientales enfocan ésta problemática• Sin embargo:

– Pocos casos son documentados– No se hacen cumplir las leyes– Los reglamentos y guías son muy generales– Métodos cuantitativos de ingeniería que se proponen son muy

aproximados o no se incluyen del todo

CasodePuertoRico

• En Diciembre de 2016 elDepartamento de Recursos Naturalesy Ambientales de Puerto Rico adoptólas Guías para la Elaboración deEstudios de Transporte de Sedimentospara la Extracción de Materiales delos ríos de Puerto Rico.

• Objetivo: Minimizar los daños alambiente y reducir los impactosocasionados por esta actividad.

• Propósito: Contribuir a la protecciónde los recursos asociados a losecosistemas acuáticos y laconservación de los ríos donde seproponen o se lleva a cabo estasactividades.

¿Qué entendemos porunaextracciónsostenible?

• La operación de extracción es una sosteniblesi el tramo de río impactado es capaz derecuperar su condición natural conaportación del material transportado por elcauce.

• Esto implica que la extracción de materialesdebe hacerse a una razón tal que no seexceda el umbral más allá del cual lareposición del mismo no será posible.

Metodologíapropuesta

Estudio geomorfológico delaestabilidad verticaldellecho

Estudio detallado detransporte desedimentos

¿Esviablela

operación?

Realizar ajustes en plandeextracción ymanejo o

desistir

SI

NO

Modeloparatransportedesedimentosyextraccióndematerial

• Modelo HEC-RAS5.0oposterior

Modeloparatransportedesedimentosyextraccióndematerial

• Recolección deinformación– Caudales– Secciones transversales delrío obatimetría en lazonadelProyecto– Temperatura delagua– Granulometría delossedimentos– Selección delarelación detransporte desedimentos– Límites yplandeejecución delaoperación deextracción– Volumenes opesosdematerialqueseextraerá– Tiempo deduración delpermiso deextracción

Simulación deoperaciones deextracción dematerial

Modelar Operaciones deextracción de materiales:

• HEC-RAS permite elmodelaje de operaciones deextracción o dragado desedimentos.

• Se ha utilizado mayormentepara dragadode ríos

• Las Guías de Puerto Ricoextienden esta aplicaciónpara evaluar operaciones deextracción de materialespara construcción

Extracción demateriales delRíoLoízaen SanLorenzo,PuertoRico

Simulacion deoperaciones deextracción dematerial

1. Preparar un modelo de transporte de sedimentos2. Calibrar y verificar ese modelo (de ser possible !)3. Incluir la operación de extracción.4. En HEC-RAS existen varias formas de hacerlo

a) Especificando las estaciones entre las cuáles serealiza la operación y la profundidad del lechoque se quiere extraer (Left Sta – Right Sta. Elev.)

b) Especificando el ancho de cauce y la profundidadde la extracción

c) Especificando la masa de material que seproponeextraer

Simulación deoperaciones deextracción dematerial

Límiteizquierdodeextracciónpropuesta

Límite derechodeextracciónpropuesta

Volumen removidoElevación delcorte

Sección delrío después deextraermaterial

CasodeestudioRíoGrandedeLoíza:• SuCuencaeslademayortamaño

enPuertoRico.(751km2)• FlujoPromedioAnual:– 236,890acreft/yr

• Largode67km.• Cauce principal:– ComienzaenSanLorenzo.– TerminaenLoíza.

DRNA- CuencadelRíoGrandedeLoíza

CasodeestudioRíoGrandedeLoíza:SuCuencaeslademayortamañoenPuertoRico.

• Se utiliza la estación del USGS 50051800.– Cuenta con datos de caudal diario desde 1990.

– No datos de sedimentos de fondo

– Cuenca hasta proyecto: 117.85 km2

Casodeestudio

CasodeEstudio

• Largo del tramo con permisode extracción: 1.32 km

• A partir del año 2004 doscompañías de extracciónpara agregados hantrabajado en el sitio:

– Compañía 1 (2006-actual)

– Compañía 2 (2004-2009)

• El material principal extraídodel río es la grava.

Granulometríarepresentativa

InvestigaciónPreliminar

• Serealizóunanálisispreliminardetransportedesedimentoutilizandoseccionessometidasparaelpermisodeambascompañías.

• FlujospromediosdiariosajustadosdelaestacióndelUSGS

Ortoimagen(TIF)obtenidadefotogrametríausandodrone

CasodeEstudio

Levantamientofotogramétricocondrone

CasodeEstudioInvestigaciónPreliminar

• Extracción por dos años enun tramo de 440 m

• Se corrió el modelo desde el21 enero de 2002 al 16 desetiembre de 2004.

• El permiso especifica unmetro de profundidad deextracción

• La pendiente de río semodificó para reflejarcondiciones previas a lasoperaciones.

Sta Distancia Volumen (m3) Masa (kg) Masa (metricton)1124.191072.6 51.59970.6 102909.83 60.77 2735 7232329 7232847.6 62.23 2800 7406086 7406796.27 51.33 2310 6108860 6109745.3 50.97 2294 6066016 6066680 65.3 2939 7771451 7771

623.05 56.95 2563 6777705 6778572.16 50.89 2290 6056495 6056524.31 47.85 2153 5694700 5695472.24 52.07 2343 6196929 6197409.73 62.51 2813 7439409 7439358.22 51.51 2318 6130282 6130

TOTALES = 27557 72880262 72880

CasodeEstudioInvestigaciónPreliminar

1124.19

1072.60

970.51

909.83

847.60

796.27

745.30

680.00

623.05

572.16

524.31

472.24

409.73

358.22

300.12 250.10 200.08

150.06

100.04 50.02 0

Dragado1 Plan: MovAve7 10/14/2018 Legend

WS 21Feb2004 0000

Ground

Bank Sta

Modelo deltramo delrío

Elevación deinvertida (sinextracción)Secciones 909,745,572y409

Caudales (pcs)

Toneladas dematerialextraído ensecciones 909,745,572y409

Porcion deunasección transversalconcorte pormaterialextraído

-20 0 20 40

68

69

70

71

524.31

Station (m)

Elev

atio

n (m

)

Legend

31May2002 2000

16Jul2003 1600

Materialpasando poreltramo delrío

80000

90000

100000

110000

120000

130000

140000

150000

3/29/2003 0:00 7/7/2003 0:00 10/15/2003 0:00 1/23/20040:00 5/2/20040:00 8/10/20040:00 11/18/20040:00

Masapasandopore

ltramo(acumulado,tons)

Fechasdeoperacion deextraccion

Secciontransversal909

Sinextraer materialdelrio

Conextraccion dematerialdelrio

Perfiles delfondo antes,durante ydespués deextracción

0 200 400 600 800 1000 120067.0

67.5

68.0

68.5

69.0

g:\River Mining\Modelo para Extraccion\Dragado1.sed12

Main Channel Distance (m)

Ch In

vert

El (

m)

Legend

16JUN2002 22:00:00-Ch Invert El (m)

31DEC2002 22:00:00-Ch Invert El (m)

Rio Grd de Loiza-Canal Principal

16Junio200231Diciembre 2002

0 200 400 600 800 1000 120067.0

67.5

68.0

68.5

69.0

g:\River Mining\Modelo para Extraccion\Dragado1.sed12

Main Channel Distance (m)

Ch In

vert

El (

m)

Legend

31DEC2002 22:00:00-Ch Invert El (m)

17JUN2003 00:00:00-Ch Invert El (m)

Rio Grd de Loiza-Canal Principal

Perfiles delfondo antes,durante ydespués deextracción

16Junio200331Diciembre 2002

Perfiles delfondo antes,durante ydespués deextracción

16Junio200331Diciembre 2002

0 200 400 600 800 1000 120067.0

67.5

68.0

68.5

69.0

g:\River Mining\Modelo para Extraccion\Dragado1.sed12

Main Channel Distance (m)

Ch In

vert

El (

m)

Legend

17JUN2003 22:00:00-Ch Invert El (m)

17JUN2004 20:00:00-Ch Invert El (m)

10SEP2004 00:00:00-Ch Invert El (m)

Rio Grd de Loiza-Canal Principal

Perfiles delfondo antes,durante ydespués deextracción

16Junio200331Diciembre 2002

0 200 400 600 800 1000 120067.0

67.5

68.0

68.5

69.0

g:\River Mining\Modelo para Extraccion\Dragado1.sed12

Main Channel Distance (m)

Ch

Inve

rt E

l (m

)

Legend

17JUN2002 22:00:00-Ch Invert El (m)

16SEP2004 00:00:00-Ch Invert El (m)

Rio Grd de Loiza-Canal Principal

Conclusiones

• Lametodología propuesta permite evaluar,concriteriosdeingeniería,losefectos delasoperaciones deextracción dematerialen tiempo yespacio.

• Elcaso deestudio muestra que,paraelscenariopresentado,elrío recupera elmaterialluego deunañodeterminada laextracción.

• Requiere estudio decampodetallado ybuen manejo demodelosdetransporte desedimentos.

• Elprocedimiento incrementa lasostenibilidad demuchoscauces utilizados paraextraer materiales deconstrucción.

Aspectos parainvestigar..

• Respuestarápida durantecrecidas delrío

• Efectos delosmeandros• Efectos en estructuras• Umbrales geomorfológicos• Determinación deunIndicedeSostenibilidad

Referencias:• Silva-Araya,W.,RiveraSantos,J.,Guíasparala

ElaboracióndeEstudiosdeTransportedeSedimentosparalaExtraccióndeMaterialenlosRíosdePuertoRico,PublicadoporelDepto.deRecursosNaturalesyAmbientalesdePuertoRico,Diciembre,2016.

• Silva-Araya,W.,RiveraSantos,J.GuíasparalaElaboracióndeEstudiosHidrológicos/Hidráulicos enPuertoRico,JuntadePlanificación,OficinadelGobernador,Junio,2016.http://jp.pr.gov/Plan-Fisica/Guías

PuertoRico“LaIsladelEncanto”