Introducción

El acorazamiento consiste en la formación de una capa relativamente delgada de material grueso granular (coraza) sobre materiales más finos (subcapa), como respuesta directa de los sistemas fluviales a la regulación de los caudales y al corte en el suministro de sedimento producto de la construcción de presas y la adecuación de sus respectivos embalses ¹, en los que se aloja la mayor parte del sedimento y los nutrientes provenientes desde aguas arriba. Entender la dinámica del acorazamiento es importante, porque juega un rol fundamental en lo siguiente: 1) la estabilidad del lecho, y 2) en los servicios ecosistémicos que puede soportar el tramo del río aguas abajo de presas y embalses.

Los procesos de acorazamiento han sido y siguen siendo de gran interés para la comunidad académica y profesional ², puesto que los proyectos de generación hidroeléctrica continúan en desarrollo y operación debido a su denominación de mecanismo de desarrollo limpio. Por ejemplo, desde la época de los años setenta hasta hoy existen contribuciones como las de Little y Meyer ³, quienes fueron pioneros en documentar en que a medida que el material fino es transportado y sale del sistema de análisis, las tasas de transporte de sedimentos de fondo decrecen, debido a que cada vez hay menos material disponible para el transporte, y si las condiciones de flujo permanecen suficiente tiempo (ejemplo, un sistema fluvial regulado en el que el caudal turbinado responde a la demanda horaria de energía), la tasa de transporte de sedimento de fondo se aproxima a cero.

Posteriormente, se presenta la hipótesis de igual movilidad ⁴ para las tasas de transporte de sedimentos finos (q_AB) y gruesos (q_BB), sumada a la definición formal del concepto de movilidad relativa (r_AB):

En paralelo, ⁵ al usar datos de campo para estudiar la distribución del tamaño de la carga de sedimentos de fondo, en corrientes con lecho de grava acorazados, formulan un método para calcular la carga de fondo total que requiere solo el tamaño de grano medio (D50) de la subcapa, en lugar de la distribución de tamaño completa.

Más recientemente, el proceso ha sido analizado mediante ensayos de laboratorio ⁶, ⁷, ⁸ y estudios de campo ⁹, ¹⁰, ¹¹, sin embargo, no se encuentra en la literatura documentado un proceso de acorazamiento de un río tropical regulado.

Dada la necesidad de conocer la distribución granulométrica de los materiales que conforman el lecho del canal, se ha empleado típicamente el denominado conteo de piedras (pebble count) propuesto por Wolman ¹², sin embargo, este método requiere de un tiempo importante, y cuando se deben realizar campañas de monitoreo extensas en un tramo importe de río, no es posible realizarlo; a raíz de esto han surgido varios métodos alternativos para la obtención de la curva granulométrica por medio del procesamiento digital de imágenes, procedimiento que se ha popularizado como resultado directo de la reducción en el precio de las computadoras y de las mejoras en la capacidad de procesamiento ¹³. Múltiples autores han realizado aportes al análisis granulométrico mediante imágenes, por ejemplo, análisis de texturas en fotografías aéreas ¹⁴, análisis de textura de escaneos con láser terrestre ¹⁵, análisis de frecuencia de microfotografías digitales ¹⁶, entre otros, y han propuesto modelos para obtener la curva granulométrica a partir de imágenes.

El engrosamiento de la superficie del lecho es típico de tramos de ríos que se están degradando debido a un déficit en el suministro de sedimentos (típico de tramos aguas abajo de presas), pero las corrientes con lecho de grava que no se degradan también pueden exhibir algún grado de blindaje en relación con sus patrones hidrológicos específicos ¹⁷.

En los últimos años han surgido modelos probabilísticos ¹⁸, ¹⁹ para determinar el tamaño del grano del lecho posterior a la regulación, sin embargo, aún son más abundantes las contribuciones sobre acorazamiento a partir de ensayos de laboratorio ²⁰, ²¹, ²², ²³. Por otro lado, recién han aparecido trabajos que analizan el espesor de la coraza a partir de simulaciones ²⁴, sin importar la aproximación; es importante entender el proceso de formación de la coraza, pues esta puede limitar los procesos de incisión del lecho ²⁵. Así mismo, es importante diferenciar la causa del acorazamiento ²⁶. Por último y no menos importante, se destacan los trabajos en México de García y Maza ²⁷, que aportan una metodología detallada para el cálculo del diámetro máximo de la coraza en función de la distribución de tamaños y la desviación estándar geométrica.

En este artículo se analiza el proceso de acorazamiento que se presenta en el río La Miel desde tres enfoques diferentes: 1) verificación cualitativa del proceso de acorazamiento llevada a cabo en campo removiendo la coraza y constatando que el sustrato es mucho más fino; 2) verificación cuantitativa del acorazamiento con el empleo del criterio definido por Little y Meyer ³ para la desviación geométrica estándar de la granulometría del lecho, y 3) análisis de los registros de carga de sedimentos en suspensión y de fondo, mostrando estos últimos una marcada disminución, lo que es consistente con lo reportado por Vázquez-Tarrío ¹⁷ en su compilación de datos de 49 corrientes naturales con lecho de grava y procesos de acorazamiento. Además, se analiza la alteración al régimen hidrológico con la información disponible para los periodos de prepresa (1965-2002) y pospresa (2002-2021), identificando los efectos de la regulación del caudal.

Finalmente, es debido resaltar que el aporte específico a la ingeniería es una metodología clara para el análisis de procesos de acorazamiento en ríos tropicales aguas abajo de presas y embalses, probada al emplear el caso de estudio.

Zona de estudio

La cuenca hidrográfica del río La Miel se encuentra ubicada en el oriente del departamento de Caldas, en zona limítrofe con el departamento de Antioquia (figura 1); tiene una forma elongada en dirección NE y hace parte de la megacuenca del río Grande de la Magdalena, al que entrega sus aguas en el corregimiento de Buenavista, municipio de La Dorada (Caldas), a una elevación promedio de 150 msnm. La altura máxima de la cuenca se ubica a los 3600 msnm en la divisoria. La cuenca hidrográfica limita al sur con la cuenca del río Guarinó, al oriente con el río Grande de la Magdalena y al noroccidente con la cuenca del río Samaná Sur.

Figura 1.
Localización general de la zona de estudio: a) macroubicación, b) cuencas hidrográficas tributarias y c) tramo de estudio (los números indican la localización de las barras de sedimento muestreadas)
Fuente: elaboración propia.

El área de estudio específica corresponde a un tramo de cerca de 47 kilómetros del río La Miel localizado entre el sitio de presa de la central hidroeléctrica Miel I y la desembocadura en el río Magdalena (figura 1). El proyecto hidroeléctrico Miel I aprovecha el caudal de las cuencas de los ríos La Miel (donde se localizan las obras principales), Moro, Guarinó y Manso (estos dos últimos mediante el trasvase de un porcentaje de sus caudales a la cuenca del río La Miel). La Central tiene una capacidad instalada de 396 MW en tres unidades e inició su operación comercial en diciembre de 2002 ²⁸. El caudal de máxima generación es de 216 m³/s y el embalse Amaní tiene una capacidad de almacenamiento de 571 millones de metros cúbicos, de los cuales 444.98 millones de metros cúbicos corresponden al volumen útil.

Desde el 2010, la central hidroeléctrica Miel I cuenta con el trasvase Guarinó en operación comercial, el cual aumentó la capacidad de generación de la Central a 308 Gwh-año. El trasvase Manso entró en operación en 2013 y se encuentra localizado en el departamento de Caldas en límites de los municipios de Samaná y Norcasia, en la vertiente oriental de la cordillera Central. El río La Miel, aguas abajo de la presa Patángoras (la cual posee un vertedero de borde libre, sin compuertas), se caracteriza por un lecho con distribución de tamaños muy uniforme y grueso granular (figura 2).

Figura 2.
Apariencia del lecho: a) en la cuenca media, b) en la cuenca baja
Fuente: elaboración propia.

Desde el punto de vista geomorfológico, la zona de estudio corresponde a una transición entre valle estrecho y planicie aluvial. Inicia con un cañón estrecho entre la presa Patángoras y el sector conocido como Puente Hierro, donde gradualmente se transforma en planicie aluvial y el río tiene la libertad de divagar, gracias al espeso depósito aluvial sobre el cual fluye.

En cuanto al alineamiento en planta es necesario indicar que se caracteriza por un primer tramo conformado por una sucesión de segmentos de canal con alineamiento en planta semirrectos conectados por curvas suaves; dicha situación abarca el sector donde se localiza el túnel de fuga (aproximadamente a cuatro kilómetros aguas abajo de la presa) y hasta un poco más aguas abajo de la sección de monitoreo denominada La Palmera (figura 3), donde el valle del río se amplía y da origen a una gran planicie de inundación que es consistente con los depósitos aluviales reportados en la cartográfica geológica de la zona (figura 3) y presenta un alineamiento sinuoso con múltiples meandros y madreviejas.

Figura 3.
Geología de la zona de estudio y localización de las secciones de monitoreo
Fuente: elaboración propia

Para caracterizar el régimen hidrológico aguas abajo de la presa Patángoras se utilizó la información hidrométrica de la estación San Miguel (23057140), operada por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (Ideam), la cual cuenta con más de 55 años de registro. En particular, los registros de caudal (figura 4) con cambios en la media y la varianza medio mensual muestran una tendencia creciente (tabla 2).

Figura 4.
Serie de caudal medio mensual de la estación San Miguel (23057140)
Fuente: elaboración propia

Tabla 2.

Resultados de los análisis de homogeneidad

Fuente: elaboración propia a partir de datos IDEAM.

Materiales y métodos

Información hidrológica

La información hidrológica empleada corresponde a los registros de la estación San Miguel (23057140), la cual se encuentra aguas abajo de la central Miel I y captura los aportes tanto del caudal turbinado como del caudal natural de los ríos Manso y Samaná Sur. Por un lado, el ciclo anual de caudales presenta un comportamiento bimodal con dos periodos de caudales máximos alrededor de mayo y noviembre, y con un periodo de caudales mínimos alrededor de julio (figura 5).

Figura 5.
Ciclo anual de caudales en la estación San Miguel (23057140), en prepresa (1965-2002) y en pospresa (2002-2021)
Fuente: elaboración propia.

Por otro lado, se observa que el segundo periodo húmedo presenta caudales mayores que el primero, sin embargo, tiene una duración mucho menor que el primer periodo. El régimen hidrológico refleja una buena disponibilidad hídrica: durante ocho ⁸ meses al año, el caudal medio del mes se encuentra por encima del caudal medio multianual (252,91 m³/s). Además, se identifica que en la mayor parte de los meses del año, el caudal posrregulación supera el caudal prerregulación, contrario a lo típico reportado en la literatura ²⁹, ³⁰, ³¹, entre otros.

Por último, se analizaron las curvas de duración de caudales de la estación San Miguel en prepresa (1965-2002) y pospresa (2002-2021), y se encontró que la cuenca en el periodo pospresa presenta un volumen de agua mucho mayor que en el de prepresa (figura 6), mostrando el efecto de la inclusión de los trasvases de agua de los ríos Manso y Guarinó. El caudal medio de prepresa es de 242 m³/s, mientras que el de pospresa es de 275 m³/s; por su parte, los caudales mínimos aumentaron de 22,5 m³/s a 75,7 m³/s, con un porcentaje de cambio del 236 %. A pesar de esto, para caudales por encima del Q₉₀ las curvas de duración de caudales son muy similares.

Figura 6.
Curvas de duración de caudales en la estación San Miguel (23057140), en prepresa (1965-2002) y en pospresa (2002-2021)
Fuente: elaboración propia.

Información de campo

Para analizar la variación del nivel del lecho del río La Miel se contó con la información topobatimétrica de las secciones transversales de monitoreo hidrosedimentológico (figura 1 y tabla 1), anexa a la comunicación con radicado N.° 2018176489-1-000, obrante en el expediente ambiental LAM0005 Proyecto Miel I, de la Autoridad Nacional de Licencias Ambientales (ANLA).

Tabla 1.

Coordenadas de las secciones de monitoreo hidrosedimentológico

Fuente: ³²

En las secciones transversales se identifica una tendencia a la cuasiestabilidad del lecho, con variaciones mínimas en elevación a lo largo de los cinco años (2013-2017) de datos disponibles. También se usaron los datos reportados de cargas de sedimento tanto de fondo (Qsf) como de suspensión (Qss) muestreadas en cada recorrido de campo. Finalmente, es necesario indicar que durante un recorrido de campo realizado en el año 2018 se capturaron fotografías de las barras puntuales, con su respectiva escala, en varios sitios a lo largo del río La Miel (figura 1); la numeración de las barras inicia en la desembocadura con el número uno y remonta el río hasta la identificada con el número nueve, algunos kilómetros aguas abajo de la presa Patángoras.

Pruebas estadísticas

Para identificar las tendencias en la media se evaluaron las pruebas T (T), Hotelling-Pabst (H-P), Mann-Kendall (M-K) y Sen (S). Para identificar cambios en la media se aplicaron las pruebas con punto de cambio: T Simple (T-S), T modificada (T-M), U de Mann-Whitney (U) y Prueba de signo (PS).

Para cambios en la varianza se aplicaron las pruebas F Simple (F-S), F modificada (F-M), Ansari Bradley (A-B) y Bartlett (B). Las diferentes pruebas detectan cambios de manera consistente y alrededor de las mismas fechas.

Caracterización del lecho

Para la caracterización de la distribución granulométrica a lo largo del río se emplea la serie de fotografías capturadas durante un recorrido de campo realizado en el año 2018 y el software Basegrain, desarrollado por ³³ el Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH Zurich).

Además, en uno de los sitios visitados se removió la capa superficial y se tomó un registro fotográfico, el cual evidencia que por debajo de la capa superficial gruesogranular existe un depósito de material mucho más fino (figura 7), lo que constituye una aproximación empírica y cualitativa que valida la hipótesis del acorazamiento.

Figura 7.
Verificación de campo del proceso de acorazamiento
Fuente: elaboración propia.

Una vez obtenidas las curvas granulométricas y los diámetros característicos (D16, D50, D84), se procedió a calcular la desviación geométrica estándar (σg) y el coeficiente de gradación (Gr), utilizando las siguientes expresiones:

Resultados

Pruebas estadísticas

En los resultados del análisis de homogeneidad (tabla 2) se identifica que todas las pruebas de tendencia en la media evaluadas [prueba T (T), Hotelling-Pabst (H-P), Mann-Kendall (M-K) y Sen (S)] confirman la existencia de una tendencia, en este caso creciente. Mientras que la mayor parte de las pruebas de cambio en la media evaluadas [T Simple (T-S), T modificada (T-M), U de Mann-Whitney (U) y Prueba de signo (PS)] confirman la existencia de un régimen hidrológico no estacionario. Por último, la mayor parte de las pruebas de cambio en la varianza evaluadas [F Simple (F-S), F modificada (F-M), Ansari Bradley (A-B) y Bartlett (B)] confirman nuevamente la existencia de un régimen hidrológico no estacionario.

Distribución granulométrica

Del procesamiento digital de imágenes con el software Basegrain (figura 8) se obtuvo la curva granulométrica asociada con cada sitio (figura 9) y se identificó el patrón general de variación del diámetro medio en la dirección del flujo (tabla 3), el cual exhibe una tendencia decreciente hacia aguas abajo, excepto cuando recibe los aportes de un tributario importante como los ríos Manso y Samaná Sur.

Figura 8.
Procesamiento de la foto barra # 5
Fuente: elaboración propia en software Basegrain.

Figura 9.
Curvas granulométricas obtenidas con el software Basegrain
Fuente: elaboración propia.

Tabla 3.

Resultados del análisis granulométrico

Fuente: elaboración propia a partir de datos Basegrain.

En las curvas granulométricas (figura 9) se observa que la muestra uno, correspondiente a la desembocadura en el río Magdalena, hace parte de un sistema con mayor nivel energético que puede movilizar tamaños de material más grandes, mientras que las muestras en las barras dos al nueve son más similares en términos de gradación (Gr). Por su parte, de los diámetros D₅₀ estimados se identifica que todas las barras analizadas están conformadas por material grueso granular (>2 mm), según el umbral sugerido por Vázquez-Tarrío ¹⁷. De igual manera, todas las desviaciones geométricas estándar (σg)) calculadas están por encima de 1,3 (tabla 3) y sugieren que los lechos pueden estar acorazados tal y como lo definieron Little y Meyer ³.

Con relación a la variación del tamaño de partícula del lecho en sentido longitudinal, aguas abajo de la presa Patángoras, se observa que el D₅₀ presenta un comportamiento muy uniforme, excepto en la desembocadura al río Magdalena. Mientras que los diámetros D₃₀ y D₉₀ muestran una gran variación hasta 29 km aguas abajo de la presa (desembocadura del río Samaná).

Figura 10.
Variación del tamaño de partícula del lecho
Fuente: elaboración propia.

Cargas de sedimento

Al analizar y evaluar las cargas o tasas de transporte de sedimento en suspensión (figura 11) reportadas por Gotta Ingeniería durante su monitoreo semestral, aguas abajo de la central Miel I, se observa que muestran un comportamiento típico de un sistema fluvial con caudales líquidos regulados por un sistema presa-embalse, en el cual la discontinuidad en el suministro de sedimento se refleja en tasas de transporte bajas, justo aguas abajo de la presa, que aumentan paulatinamente en el sentido del flujo, debido a la mayor disponibilidad de material y al aporte de tributarios como los ríos Manso y Samaná Sur.

Figura 11.
Cargas de sedimento en suspensión (Qss): a) primer semestre y b) segundo semestre
Fuente: elaboración propia.

Es necesario indicar que las condiciones particulares del proyecto Miel I también se ven reflejadas en los registros (figura 11), en los que se observan altas cargas o tasas de transporte de sedimento en suspensión (ton / día), en las estaciones Túnel de Fuga y Kilómetro 11, consistentes con la ubicación de la descarga del caudal turbinado y el proceso de resuspensión de sedimento fino.

Del análisis de las mediciones de carga de sedimentos de fondo realizadas por Gotta Ingeniería se observa que en las estaciones más cercanas al sitio de presa (en su orden, Puente Hierro, Túnel de Fuga, K11, La Palmera, La Habana) la carga de fondo es nula (figura 12), lo que es explicable por el proceso de acorazamiento ³⁴. Se produce un transporte selectivo de sedimento, en general, los más finos (arcillas, limos y arenas finas) quedan en el lecho una selección de materiales gruesogranulares que no pueden ser transportados por el flujo regulado; estos materiales se concentran y agrupan cubriendo materiales más finos, y forman una estratificación vertical del lecho (figura 7) que no permite un transporte uniforme de sedimentos.

Figura 12.
Cargas de sedimento de fondo (Qsf): primer semestre (a izquierda) y segundo semestre (a derecha)
Fuente: elaboración propia.

También se observa que el caudal promedio con el cual se presentó transporte de sedimentos de fondo en la sección Puerto Plátano, a 29,6 km de la presa Patángoras, es de 234 m³/s, que es excedido el 59 % del tiempo, según la curva de duración de caudales de la estación San Miguel en el periodo posrregulación (figura 6).

Discusión

Los resultados obtenidos del caso de estudio (río La Miel), por un lado, muestran que los ríos tropicales regulados por embalses también sufren procesos de acorazamiento o formación de una capa superficial gruesa que reposa sobre materiales más finos, tal y como lo han reportado para latitudes extratropicales ¹⁸, ¹⁹, ²⁵. Por otro lado, podemos indicar que, efectivamente, existe un umbral de caudal importante (234 m³/s), el cual se debe superar para que se rompa la coraza y se registre transporte de la carga de fondo (Qsf), lo que puede presentarse cuando se superpone la generación a máxima capacidad (descarga de 216 m3/s), con el vertimiento de excedentes por al aliviadero de la presa Patángoras.

Se destacan las grandes bondades del uso del procesamiento digital de imágenes para analizar grandes tramos de río (varios kilómetros), como se ha documentado en este caso de estudio, permitiendo obtener la granulometría del lecho de forma rápida y económica.

Finalmente, resaltamos la importancia de los monitoreos hidrosedimentológicos, pues han permitido identificar los procesos actuantes en el cauce del río, además de ayudar a entender, en parte, la nueva dinámica fluvial luego de la regulación de los caudales líquidos y sólidos.

Conclusiones

Los resultados del análisis trienfoque empleado permiten concluir que el río La Miel, aguas abajo de la presa Patángoras, se encuentra acorazado en su totalidad. Las alteraciones hidrológicas más importantes se relacionan con el aumento desproporcionado (236 %) de los caudales mínimos, efecto directo de la operación de la central Miel I y de los trasvases de los ríos Manso y Guarinó.

Por último, el caso de estudio permitió presentar una metodología de análisis fluvial con elementos modernos que aporta una semilla para futuros análisis de sistemas regulados tropicales.

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Universidad Cooperativa de Colombia por el tiempo suministrado para el desarrollo de este trabajo, y al Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (Ideam) y a la Autoridad Nacional de Licencias Ambientales (ANLA) por los datos suministrados.

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Notas