Modelado de la erosión de cárcavas en las planicies de una cuenca ...
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Modelado de la erosión de cárcavas en las planicies de una cuenca
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
Javier Homero Flores Cervantes
MIT/Universidad de Washington
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Bosquejo
1. Modelado de procesos físicos: mi experiencia y CHILD- modelo de evolución de paisajes
2. Erosión de cárcavas – relevancia3. Erosión de cárcavas 1: Inestabilidad de taludes4. Erosión de cárcavas 2: Erosión por caída de
agua5. Conclusiones generales
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*Modelando procesos físicos*
• Que es?– Una forma de representar procesos físicos
pertenecientes a un sistema (natural en mi caso)
• Como?– Con un grupo de reglas:
• ecuaciones diferenciales, • elementos finitos, y • relaciones entre los diferentes componentes del sistema
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Como empecé
• Del flujo de agua en un acuífero confinado al modelo de evolución de paisajes CHILD (Channel-Hillslope Integrated Landscape Development)
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El proceso
– Escoger la pregunta– Escoger el sistema a representar– Escoger las herramientas:
• ecuaciones (diferenciales)• discretización del sistema• relaciones entre elementos• parametrización• simplificaciones
– Ponerlo a prueba/sensibilidad/verificación
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Otros aspectos importantes
• Condiciones iniciales y de frontera• Límites:– Simplificaciones
• Fuerzas motoras/fuerzas actuantes; Forcing
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Que involucra?
• Entender e investigar el sistema/problema• Conocer el lenguaje de programación• Tener un método de visualización de
resultados
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CHILD
Tucker et al., 2001, Computers and Geosciences, 27(8), pp. 959-973.Tucker et al., 2001, in Landscape Erosion and Evolution Modelling, eds Harmon and Doe, Kluwer
Academic/Plenum Publishers.
Modelo basado en procesos físicos (Physically based model)
Tectonic Uplift
Fluvial erosion
Hillslope processes
Floodplain deposition
Meandering
Eolian deposition
TIN Mesh
Vegetation
Gully Erosion
Landsliding
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Resultados de modelaje: La forma del paisaje depende en los procesos de erosión dominantes
(De Tucker and Bras, 1998)UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
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*Erosión de cárcavas*
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
“Una cárcava es un canal incisivo con paredes verticales, una cabecera que se está erosionando y cuyas paredes laterales se extienden por fallas de talud [Schumm and Harvey, 1984]”
(De Stow and Hughes, 1980)
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Procesos de erosión de cárcavas
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
•Sapping
•Caída de agua
•Inestabilidad de taludes
•Piping
•Erosión fluvial
(De Stow and Hughes, 1980)
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Importancia ambiental
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas (1999 USGS aerial photograph)
•Pérdida de suelos
•Sedimentación de cuerpos de agua
•Daños a infraestructura
•Peligro al tránsito
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Importancia ambiental
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas (1999 USGS aerial photograph)
•Pérdida de suelos: problema global
•Medio ambiente
•Pérdida de ecosistemas
•Inundaciones
•Recarga de acuíferos
•Industria agrícola
UNAM, 20 VIII 2012
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*Erosión de cárcavas 1: Inestabilidad de taludes*
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
VW
Uα
Gully bank or headcutGully
Lc
Lp
Hychw
Runoff discharge
c
c
IRHY
resistingdrivingFS
//
=Ω=
=
ξ
(De Istanbulluoglu et al., 2005)
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Comparando con datos de campo
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
y = 0.9997x + 0.0081
R2
= 0.892
NS=0.6
0
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8 10 12
Calculated Height (m)
Mea
sure
d H
eigh
t (m
)
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Simulaciones en CHILD
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•Cohesión
•Intensidad de lluvia
•Resistencia del suelo al esfuerzo cortante
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Cohesión
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
5 kPa,100 años, 80% masa inicial
20 kPa,1100 años, 80% masa inicial
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Elemento tiempo
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Intensidad de lluvia
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¼ io, 7980 años, 80% masa inicial
2 io, 307 años, 80% masa inicial
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Resistencia del suelo al esfuerzo cortante
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
2τcr, 2000años,88% masa
inicial
2τcr, 10000 años,80% masa
inicial
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Tres aspectos que influyen el el avance de cárcavas
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
Cohesión Material en pie de
talud
Ciclo de la cárcava
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*Erosión de cárcavas 2: Erosión de “caída de agua”*
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
(De Flores-Cervantes et al., 2006)
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Erosión de caída de agua
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
q
H
S
n
κ, τcr
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Cuatro modos de erosión
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Control de erosión
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Presas de CE
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Erosión de caída de agua en CHILD
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Erosión de caída de agua en CHILD
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Interacción constante entre erosión fluvial y de caída de agua
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
• Ambos procesos modifican constantemente la topografía y por ende: las pendientes, altura de cabeceras, y la convergencia de la escorrentía.
• Esto resulta en una interacción con retroalimentación entre los dos tipos de erosión.
• La erosión del avance de cabecera compite con la erosión fluvial
• Identificamos las circunstancias topográficas que favorecen al avance de cabeceras
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Condiciones favorables al avance de cabeceras
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• Cabeceras altas
• Pendientes pequeñas aguas arriba
• Resistencia del suelo a erosion fluvial (por ejemplo, por covertura vegetal)
•Concentración de escorrentía ( el avance es más sensible a la escorrentía que la erosion fluvial, en especial en “difusión”)
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*Conclusiones generales*
– La erosión de cárcavas puede afectar a infraestructura y causar problemas ambientales
– Los dos modelos presentados permiten entender mejor este tipo de erosión
– Presente algunas implicaciones de estos estudios en acciones de control de erosión.
– Esta información debe ser aplicada en programas de prevención y control de erosión.
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
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Reconocimientos
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
•Colaboradores: Erkan Istanbulluoglu, Rafael Bras, Gregory Tucker, Nicole Gasparini, Daniel Collins, Vanessa Teles
• El trabajo fue financiado en parte por la oficina de investigación de la armada de los EEUU
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Bibliografía
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
Stow, S. H. and T. H. Huges, Geology and the urban environment, Cottondale Quadrangle, Tuscaloosa County, Alabama, Geological Survey of Alabama Atlas Series 9, 78 p., 1980.
Bennett, S., Effect of slope on the growth and migration of headcuts in rills. Geomorphology, 30, 273-290, 1999.
Bennett, S. and J. Casalí, Effect of initial step height on headcut development in upland concentrated flows, Water Res. Res., 41(7), 1911-1922, 2000.
Nyssen, J., J. Poesen, J. Moeyerson, E. Luyten, M. Veyeret-Picot, J. Deckers, M. Haile, and G. Govers, Impact of road buliding on gully erosion risk, A case study from the northern Ethiopian high-lands, Earth Surf. Processes Landforms, 27, 1267-1283, 2002.
Tucker, G. and R. L. Bras, Hillslope processes, drainage density, and landscape morphology, Water Res. Res., 34(10), 2751-2764, 1998.
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Bibliografía
UNAM, 20 VIII 2012 Modelado de la erosión de cárcavas
Flores-Cervantes,H., E. Istanbulluoglu and R .L Bras, Development of gullies on the landscape: a model of headcut retreat resulting from plunge pool erosion, J. Geoph. Res.–Surf. Process. 111, 2006.
Istanbulluoglu E., R. L. Bras, H. Flores-Cervantes and G. E. Tucker, Implications of bank failures and fluvial erosion for gully development: field observations and modeling, J. Geoph. Res.–Surf. Process. 110, 2005.