Estudio del comportamiento del viento en las capas de la atmósfera cercanas al suelo en condiciones de erosión eólica

Estudio del comportamiento del viento en las

capas de la atmósfera cercanas al suelo en

condiciones de erosión eólica

Goldberg, Angélica Susana

1996

Tesis Doctoral

Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Universidad de Buenos Aires

www.digital.bl.fcen.uba.ar

Contacto: [email protected]

Este documento forma parte de la colección de tesis doctorales y de maestría de la Biblioteca

Central Dr. Luis Federico Leloir. Su utilización debe ser acompañada por la cita bibliográfica con

reconocimiento de la fuente.

This document is part of the doctoral theses collection of the Central Library Dr. Luis Federico Leloir.

It should be used accompanied by the corresponding citation acknowledging the source.

Fuente / source:

LJNTVERSDAD

DE BUENOS

AIRES

Facultad de Ciencins

Exnctns

y Nnt.tunles

Departamento de Ciencias de

la

Atm6sTera

ESTUDIO DEL COBllI)ORTiU\lIENTO

DEL VIEKT0 EN

LAS CAPAS

DE

LA

ATMOSWRA CERCANAS

A L

SUELO

EN

CONDICIONES

DE

EROSION

EOLICA

Trnbnjn de Tesis elnborndo por In Liccnciada Angdica Stisann Goldberg para acceder

. - .

-.',-

a1 tiitdo

de Doctor de la Universidad de Buenos Aires

. - a -

* * *

-

_'*

. 0 1 '

D e s e o expresar mi agradecimiento

A1 Dr. NicalAs Mazzeo, director de la Tesis, por s u perseverante dedicaci6n y por haber lograda ser una guia en un marc0 de respecto hacia mi5 ideas.

k l Departamento d e Ciencias d e la ktmbsfera d e la Universidad d e Euenos Aires par el apoyo bibliogrAfico y cornputacional brindado

A la Direccibn General d e Sistemas d e la Universidad Nacional d e Luj An, particularmente a 10s Licenciados Fernando Bordignon y Jose Luis Marazo.

A1 Departamento d e Tecnologia d e la Universidad Nacional d e

A1 Dr. Pablo Jacobsky, por s u valioso asesoramiento en la resoluci6n numerics del modelo presentado.

A

los Ing. Agr. Cristina Costa y Marcelo Masobrio por 5u

asesoramiento acerca de 10s aspectos edafolbgicos y agronbmicos del proceso d e erosi6n eblica.

&1 Dr. Jesos M. Gardiol por 5u invalorable estimulo y

valiosas sugerencias.

k mis companeros de estimulo que me brindaron.

trabajo y amigos par el apoyo y

Y muy esprcialmente a mi familia por s u apoyo y c o m p r e n s i ~ n ante tantas postergaciones producto d e mi dedicacibn a1 trabajo.

NOTA

EXPERIENCIA

DE

OBSERVACION

Han participado e la experiencia de observaci6n citada

en

este trabajo:

Por

parte

del

Departamento

de

Meteorologia

(acutalmente Departamente de Ciencias de la Atmbsfera) de

la Universidad de Buenos Aires: Nicolas

A.

Mazzeo, Jesus

M.

Gardiol, Alicia

B.

de Garin

y

Angelica

S .

Goldberg

Por parte del Programa de Fisica Ambiental del Centro

Nacional Patag6nico

(CONICET):

Vicente Barros,

Jorge

Brigulio, Walter Garabano

y

M.

Le6n

I N D I C E RESUMEN C A P I T U L O I: I N T R O D U C C I O N C A P I T U L O 11: L A E R O S I O N E O L I C A 11.1 G e n e r a l i d a d e s 11.2 M o v i m i e n t o de p a r t i c u l a s d e l s u e l o p o r a c c i b n d e l v i e n t o 11.3 F u e r z a s a c t u a n t e s s o b r e 10s granos en e l s u e l o 11.4 F u e r z a s a c t u a n t e s sobre 10s granos en m o v i m i e n t o 11.5 I n i c i a c i d n d e l m o v i m i e n t o de l a s p a r t i c u l a s C A P I T U L O 111: L A CAPA D E S U P E R F I C I E D E L A ATMOSFERA 111.1 F l u j o de a i r e sobre s u p e r f i c i e s a e r o d i n a m i c a m e n t e l i s a s 111.2 F l u j o de a i r e sobre s u p e r f i c i e s a e r o d i n a m i c a m e n t e rugosas f o r m a d a s por una c o b e r t u r a v e g e t a l 18 111.3 F l u j o de a i r e s o b r e s u p e r f i c i e s a e r o d i n a m i c a m e n t e l i s a s rugosas en c o n d i c i o n e s de e r o s i b n e b l i c a C A P I T U L O I V : D E S C R I P C I O N D E L E X P E R I M I E N T O O B S E R V A C I O N A L I V . l G e n e r a l i d a d e s I V . 2 D e s c r i p c i b n de l a z o n a I V . 3 D e s c r i p c i b n de l a e x p e r i e n c i a I V . 4 C o n d i c i o n e s m e t e o r o l d g i c a s d u r a n t e 10s d i a s de l a e x p e r i e n c i a C A P I T U L O V : E V A L U A C I O N D E L O S DATOS METEOROLOGICOS C O R R E S P O N D I E N T E S A L A E X P E R I E N C I A O B S E R V A C I O N A L V . l E l a b o r a c i b n de 10s d a t o s V . 2 E v a l u a c i b n de 10s d a t o s de t e m p e r a t u r a d e l d i r e V . 3 E v a l u a c i b n de 10s d a t o s de v e l o c i d a d d e l v i e n t o V.3.1. E l d e s p l a z a m i e n t o de p l a n o c e r o V . 3 . 2 . A n i l i s i s de 10s d a t o s C A P I T U L O V I : A P L I C A C I O N D E L O S MODELOS P A R A L A CAPA D E S U P E R F I C I E D E L A ATMOSFERA BASADOS E N L A H I P O T E S I S D E L A SEMEJANZA E U L E R I A N A A L A S C O N D I C I O N E S D E L A E X P E R I E N C I A O B S E R V A C I O N A L D E PAMPA D E L C A S T I L L O

CAPITULO VII: EL MODEL0 PROPUESTO

VI

I.

1 Introduccibn

VII.2 Ecuaciones basicas

VII.3 Desarrollo del modelo

VII.3.1. F o r m a s funcionales d e 10s parametros incluidos

en el modelo 7 5

VII.3.1.1 Variaci6n vertical del Area de arrastre 7 5

VII.3.1.2 Variaci6n vertical del coeficiente d e arrastre 83

VII.3.1.3 Variacibn vertical del coeficiente d e inter-

cambio turbulent0 de cantidad de movimiento

El modelo VII .3.2

CAPITULO VIII: COMPARACION CON DATOS OBSERVACIONALES

VIII.l Comparacibn d e 10s resultados del modelo con datos

obtenidos en la experiencia d e Pampa del Castillo VIII.l.l Consideraciones para la aplicaci6n del modelo

VI11.1.2 Evaluacibn estadlstica

VIII.2 Comparacibn d e 10s resultados del mode10 con d a t o s

obtenidos en experiencias en tQnel d e viento en

condiciones de erosidn eblica

CAPITULO I X : COMPRRACION CON O T R O S MODELOS

CFIPITULO X:

CAPITULO X I : CONCLUSIONES

ANEXO: APLICACION DEL METODO DE RUNGE-KUTTA PARA LA RESOLUCION

NUMERICA DE LA ECUACIONE D E CANTIDAD DE MOVINIENTO

RESUMEN T e n i e n d o e n c u e n t a e l m a r c a d o i m p a c t o q u e represents l a d e g r a d a c i b n d e l s u e l o p a r a l a s a c t i v i d a d e s d e l hombre, es i m p o r t a n t e c a m p r e n d e r 10s f a c t o r e s q u e l a d e t e r m i n a n a f i n d e q u e se puedan tomar m e d i d a s e f e c t i v a s p a r a s u p r e d i c c i b n y c o n t r o l . L o s p r o c e s o s f i s i c o s i n v o l u c r a d o s e n l a e r o s i 6 n e 6 l i c a s o n c o n s e c u e n c i a , a d e m a s d e l t i p o y d e l e s t a d ~ d e l s u e l ~ , d e l a s ~ a r a c t e r i s t i c a s d e l f l u j o d e a i r e e n l a c a p a d e s u p e r f i c i e d e l a a t m b s f e r a . E l a n A l i s i s d e l a i n f o r m a c i b n o b t e n i d a e n u n a e x p e r i e n c i a m i c r o m e t e o r o l b g i c a l l e v a d a a c a b o e n f a r m a c o n j u n t a p o r e l C e n t r o N a c i o n a l P a t a g d n i c o (CONICET) y e l D e p a r t a m e n t o d e M e t e o r o l o g i a ( h o y D e p a r t a m e n t o d e C i e n c i a s d e l a A t m b s f e r a ) d e l a F a c u l t a d d e C i e n c i a s E x a c t a s y N a t u r a l e s (UEA) e n t r e l o s d i a s 13 y 15 d e d i c i e m b r e d e 1982, e n Pampa d e l C a s t i l l o ( P r o v i n c i a d e l C h u b u t ) , p e r m i t i 6 e n c o n t r a r q u e 10s p e r f i l e s v e r t i c a l e s d e v e l o c i d a d d e l v i e n t s v a l i d o s p a r a l a c a p a d e s u p e r f i c i e a t m a s f e r i c a e n c o n d i c i o n e s d e homogeneidad y e s t a c i o n a r i e d a d , n o s o n a p l i c a b l e s a l a d e s c r i p c i b n d e l a v a r i a c i b n v e r t i c a l d e l a v e l o c i d a d d e l v i e n t o c u a n d o se p r e s e n t a el p r o c e s a e r o s i v o . En e l p r e s e n t e t r a b a j o se p r o p a n e un modelo q u e d e s c r i b e l a v a r i a c i b n v e r t i c a l d e l a v e l o c i d a d d e l v i e n t c e n l a c a p a d e s u p e r f i c i e a t m o s f g r i c a a l t e r a d a p o r l a p r e s e n c i a d e p a r t i c u l a s d e s u e l o t r a n s p o r t a d a s p o r e l v i e n t o . E l m i s m o se b a s a e n l a h i p d t e s i s q u e p o s t u l a q u e , e n e s t a s c o n d i c i o n e s , se d e s a r r a l l a s o b r e l a s u p e r f i c i e u n a c a p a d e dire con p a r t i c u l a s d e s u e l o e n s a l t a c i 6 n q u e a c t ~ a n como s u m i d e r o d e c a n t i d a d d e m o v i m i e n t o d e l a a t m o s f b r a . P a r a e l l o se e s t a b l e c e u n a a n a l o g l a e n t r e 1 e f e c t o s s o b r e e l f l u j o d e l a i r e c a u s a d o s p r l a s p a r t i c u l a s y e l q u e p r o d u c e n l a c c ~ m p o n e n t e s d e u n a c o b e r t u r a v e g e t a l con u n a d i s t r i b u c i b n d e A r e a f o l i a r d a d a . En e s t a s c o n d i c i o n e s se c o n s i d e r a q u e l a s v a r i a c i o n e s v e r t i c a l e s d e l a c a n t i d a d de m o v i m i e n t o s o n p r o p o r c i o n a l e s a 1 c u a d r a d o d e l a v e l o c i d a d d ~ l v i e n t o y a 1 a r r a s t r e c a u s a d o p o r lo5 e l e m e n t o s s b l i d o s . La e c u a c i b n b h s i c a r e s u l t a n t e SE r e s u e l v e n u m 6 r i c a m e n t e u t i l i z a n d o e l m e t o d o d e Runge-Kutta. P a r a su i n t e g r a c i d n se r e q u i e r e d e l c o n o c i m i e n t o d e l a s f o r m a s d e l a s f u n c i o n e s q u e d e s c r i b e n l a v a r i a c i b n v e r t i c a l d e l A r e a d e arrastre, d e l c o e f i c i e n t e d e a r r a s t r e y d e l c o e f i c i e n t e d e i n t e r c a m b i o t u r b u l e n t 0 p a r a l a c a n t i d a d d e m o v i m i e n t o . E s t a s f u e r o n e n c o n t r a d a s p a r t i r d e l a i n f o r m a c i b n o b t e n i d a e n e x p e r i e n c i a s

r ~ a l i z a d a s en tunel de viento en condiciones de erosibn eolica para distintos tipos d e suelo y de r u g ~ s i d a d superficial. El

mode10 utiliza como variables de entrada, la altura de la capa d e saltacidn, la velocidad del viento y s u derivada v e ~ t i c a l en el tope d e la misma.

Los valores d e velocidad del viento obtenidos mediante ei modelo propuesto fueron comparados con 10s datos observados en la experiencia realizada en Pampa del Castillo y en toneles de vienta en condiciones de erosidn. D e la comparacihn se concluye que el modelo propuesto results adecuado para describir satisfactoriamente 10s perfiles verticales d e velocidad del viento en condiciones de erosibn, que 10s errores d e estimacibn aumentan cuanda disminuye la altura y cuando aumenta la velocidad d e friccibn, restringiendo s u validez, a alturas mayores que un nivel dado, el que puede llegar a s e r del 20% de la altura d e la capa en

condiciones de muy alta velocidad del viento

El modelo posee baja sensibilidad a 10s coeficientes involucradcs en fas funciones que describen la variacibn vertical del Area de arrastre y del coeficiente d e arrastre utilizados, q u e dependen del tip0 d e sue10 y rugosidad superficial, Por otro lado, e s considerable el efecto q u e produce las variaciones en la estimacibn de la altura de fa capa d e saltacibn, y el modelo e s muy sensible a la forma del coeficiente de intercambio turbulento d e cantidad d e movimiento y a1 valor d e la derivada d e la velocidad del viento en el tope d e la capa.

CAPITULO 1_ INTRODUCCION

La e r o s i 6 n es un proceso n a t u r a l e i n e v i t a b l e a s o c i a d o con l a f o r m a c i 6 n d e l s u e l o , que se t r a n s f o r m a en i n d e s e a b l e cuando es a c e l e r a d o por l a s a c t i v i d a d e s humanas y en p a r t i c u l a r cuando

10s daKos son p r a c t i c a m e n t e i r r e v e r s i b l e 5 (OMM, 1 9 8 3 ) .

E l proceso de e r o s i 6 n se puede d i v i d i r en dos grandes c a t e g o r i a s : una que corresponde a1 d e s p r e n d i m i e n t o y t r a n s p o r t e de s u e l o s , como son l a s e r o s i o n e s e d l i c a e h i d r i c a y l a o t r a , l a d e g r a d a c i & , que a f e c t a l a s p r o p i e d a d e s f i s i c a s , q u i m i c a s y b i o l 6 g i c a s ( s a l i n i z a c i b n , a l c a l i n i z a c i 6 n , l i x i v i a c i b n , t o x i c i d a d y e f e c t o s de l a c o n t a m i n a c i b n , d e g r a d a c i b n de l a v e g e t a c i d n , de l a m a t e r i a o r g a n i c a , e f e c t o s de l a compactaci6n d e l s u e l o , problemas de d r e n a j e ) . Todas, en g e n e r a l , a f e c t a n l a p r o d u c t i v i d a d de l a s t i e r r a s a l a vez que l a o c u r r e n c i a de unas p r e d i s p o n e a l a s o t r a s ( S a n t a n a t o g l i a y Chagas, 1 9 9 3 ) .

Los procesos de d e g r a d a c i 6 n son c a r a c t e r i s t i c o s d e l u s o i n d i s c r i m i n a d o de l a s t i e r r a s , hecho que puede a l t e r a r e l e q u i l i b r i o en e l que se encuentran. E s t e f e n m e n o s e puede o b s e r v a r por e j e m p l o , en zonas A r i d a s y s e m i a r i d a s , a n t e e l manejo inadecuado de 10s a n i m a l e s d u r a n t e e l p a s t o r e o , o e l uso i n d e b i d o de m a q u i n a r i a s y e l m o n o c u l t i v o c o n t i n u o en s u e l o s m i s p r o d u c t i v o s que t e r m i n a n a f e c t A n d o l o s (FAO, 1961; OMM, 1983; So- r i a n o y Movia, 1986; Mendia, 1992; S a n t a n a t o g l i a y Chagas, 1 9 9 3 ) .

Los procesos de d e g r a d a c i 6 n de mayor i m p o r t a n c i a e s t i n c e n t r a d o s en 10s mecanismos de e r o s i 6 n h i d r i c a y e 6 l i c a .

En e l proceso de e r o s i 6 n h l d r i c a , e l i m p a c t o de l a s g o t a s de l l u v i a rompe l a e s t r u c t u r a n a t u r a l de 10s s u e l o s , desagregAndolos, dando l u g a r a una d i s t r i b u c i 6 n de p a r t i c u l a s m i s f i n a s que, ademas de f a c i l i t a r s u d e s p l a z a m i e n t o con e l agua, generan una capa menos permeable que d i s m i n u y e l a capacidad de i n f i l t r a c i 6 n p o r l o que e l agua e s c u r r e con mayor e n e r g i a a t r a v e s de l a s p e n d i e n t e s ( v e r OMM, 1 9 8 3 ) .

En cuanto a l a e r o s i 6 n e d l i c a , 10s daKos se producen p o r a b r a s i 6 n e i m p a c t o d i r e c t 0 de l a s p a r t i c u l a s , p o r acumulaci6n de m a t e r i a l s o b r e l a v e g e t a c i d n y d e s a r r a i g o de l a s p l a n t a s pot- d e f l a c i b n . A e s t o s hechos cabe a g r e g a r e l cambio que causa l a e r o s i 6 n e 6 l i c a en l a t e x t u r a d e l s u e l o . E l v i e n t o a r r a s t r a y transports l a s f r a c c i o n e s m i s f i n a s d e l s u e l o ( l i m o , a r c i l l a y m a t e r i a o r g a n i c a ) y d e j a l a s f r a c c i o n e s mayores. E s t e e f e c t o s e l e c c i o n a d o r no 5610 e l i m i n a 10s m a t e r i a l e s mas i m p o r t a n t e s desde e l p u n t o de v i s t a de l a p r o d u c t i v i d a d y de l a r e t e n c i 6 n d e l agua,

s i n o que el s u e l o q u e queda es mfis e r o s i o n a b l e q u e el a n t e r i o r CFAO, 19613.

Se estima q u e l a c a n t i d a d d e s u e l o s q u e se d e g r a d a n e n el mundo. por aKo, comprende aproxlmadamente 5 a 7 mi l l o n e s d e h e c t a r e a s , p r e v i e n d o s e p a r a f i n d e s i g l o unas 10 m i l l o n e s d e h e c t a r e a s C S a n t a n a t o g l i a y Chagas, 19933.

Se

ha e s t i m a d o q u e el pel i g r o d e d e s e r ti f i c a c i 6n a b a r c a , a p r o x i madamente, 4 . 6 0 0 m i 11 o n e s d e h e c t a r e a s que c o r r e s p o n d e n a1 70% d e l a s t i e r r a s m A s s e c a s d e l mundo. El 19% d e l a s u p e r f i c i e d e W r i c a d e l S u r , 3.278.000 k m 2

.

ya es d e s i e r t o o e s t A e n r i e s g o d e d e s e r t i f i c a c i d n . D e n t r o d e d i c h a s u p e r f i c i e t o t a l , l a r e g i d n A r i d a y s e m i i r i d a a r g e n t i n a ocupa a p r o x i madamente el 65% C S a n t a n a t o g l i a y Chagas

.

1 Q93>.

En c u a n t o a l a e r o s i d n h l d r i c a , S a n t a n a t o g l i a y Chagas C19933 seKalan q u e l a s u p e r f i c i e d e l p a l s a f e c t a d a por este p r o c e s o es el 11% y s u s e f e c t o s no se c i r c u n s c r i b e n s b l o a1 sector

hamedo y subhtrmedo d e l p a l s s i n o q u e a b a r c a tambien z o n a s A r i d a s y s e m i a r i d a s c o n escasa c o b e r t u r a v e g e t a l e n p e n d i e n t e s d e c o n s i d e r a b l e magni t u d , donde y cuando se r e g i s t r a n p r e c i p i taci o n e s d e a l t a i n t e n s i d a d .

La e r o s i 6 n e b l i c a a f e c t a una a m p l i a zona e n t o d o el

p a l s CQ% d e l t e r r i t o r i o n a c i o n a l 3

,

p a r t i c u l a r m e n t e e n l a s z o n a s a r i d a s y s e m i a r i d a s . Se p r e s e n t a e n z o n a s tales como l a P a t a g o n i a ,

el s u r d e l a s p r o v i n c i a s d e Cdrdoba y San L u i s , n o r t e y este d e l a Pampa, c e n t r o y este d e Mendoza y o e s t e d e Buenos A i r e s C S a n t a n a t o g l i a y Chagas

,

19933.

P a r t i c u l a r m e n t e , e n l a P a t a g o n i a e x i s t e n varios

f a c t o r e s q u e f a v o r e c e n 10s p r o c e s o s d e e r o s i d n e b l i c a : el d O f i c i t d e agua q u e e n mayor o menor g r a d o c a r a c t e r i z a l a zona. l a i n t e n s i d a d y p e r s i s t e n c i a d e 10s v i e n t o s y l a e x i s t e n c i a d e g r a n d e s v a l l e s y l a g o s c o r d i l l e r a n o s p a r a l e l o s a l a d i r e c c i 6 n dominante d e 10s mismos. Por o t r o l a d o , s o n f a c t o r e s d e mucho peso q u e a c r e c i e n t a n el r i e s g o e n l a z o n a , l a v e g e t a c i d n b a j a y d e

escasa c o b e r t u r a , l a p r e s e n c i a d e s u e l o s formados por m a t e r i a l e s g r u e s o s y d e escasa c o h e s i d n y el manejo inadecuado d e l p a s t o r e o CSoriano y Movi a . 19863.

En v i s t a d e l tremendo i m p a c t o q u e t i e n e l a d e g r a d a c i b n d e l s u e l o p a r a l a s a c t i v i d a d e s d e l hombre, es i m p o r t a n t e q u e 10s f a c t o r e s q u e a c t Q a n e n l a d e g r a d a c i d n d e l s u e l o Sean c l a r a m e n t e comprendidos p a r a q u e se puedan tomar medidas e f e c t i v a s p a r a s u p r e d i c c i d n y c o n t r o l .

P a r a l o g r a r una d e s c r i p c i d n adecuada d e l p r o c e s o d e erosi 6 n se r e q u i ere d e l conoci mi e n t o d e t a l l a d o d e 1 a i n t e r a c c i d n a i r e C v i e n t o 3

-

s u e l o y d e l comportamiento d e t o d o s 10s mecanismos

i n v o l u c r a d o s , que se d e s c r i b e n e n el C a p i t u l o 11. P a r a e l l o , se

d e b e e n c a r a r el p r o b l e m c o n l a c o m p l e j i d a d q u e r e s u l t a d e c o n s i d e r a r l a r u g o s i d a d s u p e r f i c i a l d e l s u e l o y l a c a r g a d e l a s

p a r ti c u l as

ar

r a s t r a d a s por el v i e n t o p r o c e d e n t e s d e t e r r e n o s a d y a c e n t e s q u e modi f i c a n t a n t o 1 as c a r a c t e r i sti cas d e l v i e n t o como 10s e f e c t o s d e i m p a c t 0 s o b r e el t e r r e n o a n a l i z a d o .

P a r a s u e s t u d i o se han u t i l i z a d o t r f n e l e s d e v i e n t o e n l a b o r a t o r i o y t r f n e l e s p o r t a t i l e s a campo e n 10s q u e se c r e a un f l u j o d e a i r e a r t i f i c i a l s o b r e una s u p e r f i c i e donde se r e p r o d u c e n 1as m i s m a s c a r a c t e r i s t i c a s q u e pueden e n c o n t r a r s e e n un medio n a t u r a l

.

De

10s m i s m o s se h a p o d i d o comprender q u e , por un 1 a d o ,

l a r e s i s t e n c i a a1 t r a n s p o r t e estfi d a d a p o r l a s c a r a c t e r i s t i c a s d e l s u e l o , l a t o p o g r a f i a , l a v e g e t a c i b n p r e s e n t e y el c o n t e n i d o d e humedad Cque d e f i n e n l a e r o d a b i l i d a d d e l s u e l o ) y por l a e r o s i v i d a d c l i m A t i c a q u e es una m e d i d a d e l a t e n d e n c i a c l i d t i c a a

p r o d u c i r c o n d i c i o n e s q u e f a v o r e c e n el p r o c e s o erosi vo. Por o t r o

l a d o , l a i n i c i a c i b n d e l p r o c e s o d e e r o s i b n o c u r r e c u a n d o l a t e n s i b n d e c o r t a n t e a t m o s f e r i c a e j e r c i d a por el v i e n t o s o b r e l a s u p e r f i c i e e x c e d e l a c a p a c i d a d d e 10s materiales d e l a s u p e r f i c i e a r e s i s t i r s e a1 d e s p r e n d i m i e n t o . La e s t i m a c i b n d e l a t e n s i b n s u p e r f i c i a l a1 i g u a l q u e el f l u j o d e p a r t i c u l a s d e s u e l o t r a n s p o r t a d 0 d e p e n d e d e una correcta d e s c r i p c i bn d e 1 os p e r f il es d e n t r o y s o b r e l a c a p a d e a i r e q u e c o n t i e n e 1as p a r t l c u l a s d e s u e 1 o t r a n s p o r t a d a s por el v i e n t o .

De

a h i l a i m p o r t a n c i a d e l a e v a l u a c i b n c u i d a d o s a d e l a p o s i b i l i d a d d e r i e s g o l o q u e se h a h e c h o a t r a v b s d e l a o b t e n c i b n e m p i r i c a d e i n d i c e s d e e r o d a b i l i d a d CFAO PNUMA-UNESCO, 19803 e

i n d i c e s c l i d t i c o s CChepi1 y Woodruff, 1 9 6 3 ; FA0 PNUMA-UNESCO,

1980; Skidmore, 19861 q u e c u a n t i f i c a n el r i e s g o d e e r o s i b n a q u e e s t A s o m e t i d o un l u g a r , y d e l a a p l i c a c i b n d e modelos q u e d e s c r i b e n 1as c a r a c t e r i s t i c a s d e l a t u r b u l e n c i a y el comportami e n t o d e 1 o s p e r f i 1 es v e r t i c a l es d e v e l oci d a d d e l v i e n t o e n l a c a p a d e i n t e r & . E s h a b i t u a l q u e se c o n s i d e r e v a l i d 0 el p e r f i l l o g a r l t m i c o p a r a l a d e s c r i p c i b n d e l l a v a r i a c i b n v e r t i c a l d e l a v e l o c i d a d d e l v i e n t o e n estas c o n d i c i o n e s y 1as f o r m u l a c i o n e s e m p i r i c a s u t i l i z a d a s p a r a l a e v a l u a c i b n de l a p k r d i d a d e s u e l o u t i 1 i z a n 1 a i nf ormaci bn m e t e o r 0 1 6gi ca e s t a n d a r q u e i n c l u y e 1 a m e d i c i 6 n d e l a v e l o c i d a d d e l v i e n t o a 10 m e t r o s d e a l t u r a . U t i l i z a r esta a p r o x i m a c i b n p a r a l a e s t i m a c i b n d e l f l u j o d e p a r t i c u l a s d e s u e l o p u e d e d a r l u g a r a e r r o r e s d e g r a n m a g n i t u d

C Chepi 1

,

1 9 4 5 a ; Owen, 1 9 6 4 ; M a i n g u e t

,

1985; Go1 d b e r g y Massobri o ,

De

l a s e x p e r i e n c i a s r e a l i z a d a s e n t h e l e s d e v i e n t o ,

se h a p o d i d o d e t e c t a r q u e el p e r f i l l o g a r i t m i c o q u e d e s c r i b e l a

v a r i a c i 6 n v e r t i c a l d e l a v e l o c i d a d d e l v i e n t o e n l a c a p a d e s u p e r - f i c i e a t m o s f 6 r i c a n e u t r a l , se m o d i f i c a cuando, una vez i n i c i a d o el p r o c e s o d e e r o s i b n , se e n c u e n t r a n p r e s e n t e s e n l a c a p a d e a i r e c e r c a n a a l a s u p e r f i c i e , p a r t i c u l a s d e s u e l o que s o n t r a n s p o r t a d a s e n d i s t i n t a s formas y q u e a c t t i a n como s u m i d e r o d e c a n t i d a d d e mo- v i m i e n t o CChepil, 1945b; Owen, 19S4; McKenna Neuman y N i c k l i n g . 19943. En este s e n t i d o se han d e s a r r o l l a d o modelos con d i s t i n t o s g r a d o s d e c o m p l e j i d a d t e n d i e n t e s a l a d e s c r i p c i b n d e l p r o c e s o C Chepi 1

,

1945a y b ; Owen, 1 9 6 4 , Anderson y H a f f

,

1991 ; S o r e n s e n ,

1991 y Mc Ewan y W i l l e t t s , 19913 q u e se d e s c r i ben e n el C a p i t u l o El o b j e t i v o d e l p r e s e n t e t r a b a j o es:

-

D e s a r r o l l a r un modelo q u e d e s c r i b a l a v a r i a c i b n v e r t i c a l d e l a v e l o c i d a d d e l v i e n t o e n l a c a p a d e s u p e r f i c i e a t m o s f 6 r i c a e n c o n d i c i o n e s d e erosi 6n e6l i ca b a s a d o e n 1 a h i p b t e s i s q u e p o s t u l a q u e , e n d i c h a s c o n d i c i o n e s , se d e s a r r o l l a s o b r e l a s u p e r f i c i e una c a p a d e a i r e con p a r t i c u l a s d e s u e l o e n s a l t a c i 6 n q u e a c t Q a n como s u m i d e r o d e c a n t i d a d d e movimiento. P a r a e l l o , se p l a n t e a una a n a l o g i a e n t r e 10s e f e c t o s s o b r e el f l u j o d e l a i r e c a u s a d o por l a s

p a r t i c u l a s y el q u e producen l a s componentes d e una c o b e r t u r a v e g e t a l c o n una d i s t r i b u c i 6 n d e A r e a f o l i a r d a d a .

-

E v a l u a r y a n a l i z a r 10s r e s u l t a d o s d e un e x p e r i m e n t o

observational l l e v a d o a c a b 0 e n Pampa d e l C a s t i l l o C P r o v i n c i a d e l Chubut3 e n forma c o n j u n t a por el P r o g r a m d e F i s i c a Ambiental d e l C e n t r o N a c i o n a l P a t a g d n i c o d e l Conse j o N a c i o n a l d e I n v e s t i g a c i o n e s C i e n t l f icas y T&cni cas y el Departamento d e Meteor01 o g l a C a c t u a l m e n t e Departamento d e C i e n c i a s d e l a Atm6sfera3 d e l a F a c u l t a d d e C i e n c i a s E x a c t a s y N a t u r a l e s d e l a U n i v e r s i d a d d e Buenos A i r e s e n c o n d i c i o n e s d e a l t a v e l o c i d a d d e l v i e n t o . La i n f o r m a c i b n a l l 1 r e g i s t r a d a s e r A u t i l i z a d a p a r a l a v e r i f i c a c i d n d e l modelo p r o p u e s t o j u n t a m e n t e c o n 10s d a t o s o b t e n i d o s por o t r o s a u t o r e s e n t Q n e l e s d e v i e n t o donde se han s i m u l a d o c o n d i c i o n e s d e er osi c5n e 6 l i ca

.

CAPITULO LA ER-ON EOLICA I I . 1

.

GENERAL1 DADES L a e r o s i 6 n e 6 l i c a es el p r o c e s o por el c u a l el v i e n t o r e c o g e y t r a n s p o r t a material s u e l t o d e l s u e l o . E s t a s p a r

ti

c u l as t r a n s p o r t a d a s por el v i e n t o d e s g a s t a n a s u vez el m a t e r i a l s u p e r f i cia1

.

E n t r e 1 o s f a c t o r es atmosf &r i cos mAs i mpor t a n t e s q u e a f e c t a n el p r o c e s o d e e r o s i 6 n se pueden c i t a r l a v e l o c i d a d d e l v i e n t o , l a i n t e n s i d a d d e l a t u r b u l e n c i a , l a d e n s i d a d y l a v i s c o s i d a d d e l a i r e C Chepi 1

,

1945b3

,

q u e d e a c u e r d o c o n M a 1 i n a C 1 9 4 1 3

C

v e r Gar c l a Sal m e r o n , 1 9873 i n t e g r a n 1 os f a c t o r es

i n h e r e n t e s a1 f l u i d o y a1 f l u j o . y pueden ser s i n t e t i z a d o s e n l o que se denomina " e r o s i v i d a d d e l aire".

Por o t r o l a d o , se e n c u e n t r a n 10s f a c t o r e s r e l a c i o n a d o s con el t e r r e n o s o b r e el q u e a c t O a el v i e n t o , q u e pueden ser

s i n t e t i z a d o s e n l o q u e se denomina " e r o d a b i l i d a d d e l s u e l o " y q u e pueden d e s c r i b i rse d e 1 a si g u i e n t e manera:

a. F a c t o r e s d e s u p e r f i c i e , tales como l a r u g o s i d a d , l a c o b e r t u r a v e g e t a l y 1 as o b s t r u c c i o n e s . b. T o p o g r a f i a , q u e puede ser p l a n a , o n d u l a d a o q u e b r a d a , e n t r e otras. c . S u e l o , c a r a c t e r i z a d o por s u g r a v e d a d e s p e c i f i c a , t e x t u r a , e s t r u c t u r a , c o n t e n i d o d e materia organics, t e m p e r a t u r a y humedad. I n f l u y e n t a m b i e n l a l o n g i t u d d e l a zona e x p u e s t a y el t i e m p o d e e x p o s i c i dn Cver Movia, 1 9 8 0 y Wilson y Cooke, 19803.

E s e v i d e n t e q u e l a e r o s i 6 n r e s u l t a n t e depends d e una r e l a c i 6 n m ~ l t i p l e e n t r e a l g u n o s d e estos f a c t o r e s , c a d a uno d e 10s c u a l e s puede a p o r t a r e f e c t o s d e d i f e r e n t e s s i g n o s e n d i s t i n t a s c o n d i c i o n e s .

I I . 2. MOVI M I ENTO DE PART? CULAS DEL SUELO POR ACCI ON DEL VIENTO

E l movimiento d e p a r t l c u l a s d e s u e l o por a c c i d n d e l v i e n t o f u e est u d i a d o por d i f e r e n t e s a u t o r e s

,

e n t r e el 1 os Bagnol d

,

C V e r Wilson y Cooke

,

19803 ; Chepi 1

,

1945a y b

.

Chepi 1 y Woodruff

,

1963; L y l e s y K r a u s s , 1971; G i l l e t t e , 1977; G i l l e t t e , 1981;

G r e e l e y y o t r o s . 1981; G e r e t y y S l i n g e r l a n d , 1982; G r e e l e y y

o t r os

,

1982; I v e r s e n , 1 9 8 2 ; Socol o v C v e r Bochar o v , 19863 ; Hagen y

o t r o s . 1 9 8 8 y 1992; Shao y Raupach, 1992; F r y r e a r y S a l e h , 1993.

De

a c u e r d o con l a s o b s e r v a c i o n e s r e a l i z a d a s e n t d n e l d e v i e n t o , se d e t e r m l n 6 q u e el mismo se p r o d u c e m e d i a n t e t r e s modos d e

t r a n s p o r t e :

-.

Sal t a c i 6x1: 1 as p a r t i c u l as c o n d i A m e t r o s comprendi d o s e n t r e 100 y 1 0 0 0 m i c r o n e s s o n d e s a l o j a d a s d e l a s u p e r f i c i e d e l s u e l o , e n t r a n a1 f l u j o d e a i r e , g a n a n c a n t i d a d d e movimiento, y c u a n d o d e s c i e n d e n p o r a c c i 6 n d e l a g r a v e d a d i m p a c t a n c o n l a s u p e r f i ci e , provocando el movi m i e n t o d e o t r a s p a r t l c u l as.

-.

S u s p e n s i bn: 1 as p a r t l c u l as 1 i vi a n a s C d i A m e t r o s meno- res q u e 1 0 0 micrones3 s o n t r a n s p o r t a d a s por este mecanismo. En este c a s o , l u e g o d e ser d e s a l o j a d a s , g e n e r a l m e n t e por el i m p a c t o d e p a r t l c u l a s e n s a l t a c i b n , se d e s p l a z a n c o n el f l u j o d e a i r e e n l a d i r e c c i d n d e l v i e n t o . Pueden ser t r a n s p o r t a d a s a g r a d e s d i s t a n c i a s y d u r a n t e e x t e n s o s p e r l o d o s d e t i e m p o , y s b l o c a e n c u a n d o 1 a vel oci d a d d e l v i e n t o ti e n d e a a n u l arse C ver Chepi 1

,

1 9 4 5 a y b3.

-

.

Rodadur a s u p e r f i c i a1 : 1 os g r a n o s s p e s a d o s C c o n d i g m e t r o s q u e v a r i a n e n t r e 1 0 0 0 y 2000 m i c r o n e s 3 , r u e d a n o se a r r a s t r a n s o b r e l a s u p e r f i c i e p o r e f e c t o d e l a s f u e r z a s q u e el

v i e n t o ejerce s o b r e ellos o por el i m p a c t o d e o t r a s p a r t i c u l a s C ver Chepi 1

,

1945b3

.

Bagnol d C v e r Chepi 1

,

1945b3 e n c o n t r d q u e 1 os g r a n o s d e a r e n a s o n l l e v a d o s por el v i e n t o p r i n c i p a l m e n t e p o r s a l t a c i d n y r o d a d u r a s u p e r f i c i a l y e n menor g r a d o p o r s u s p e n s i b n . Con v e l o c i d a d e s d e vi e n t o re1 a t i vamente a1 t a s 1 as p a r t l c u l as e n s u s p e n s i 6 n no e x c e d e n el S % d e a q u e l l a s q u e s o n t r a n s p o r t a d a s e n s a l t a c i b n y r o d a d u r a . A i g u a l c o n c l u s i d n l l e g a r o n C h e p i l y M i l n e Cl9413 q u i e n e s h i c i e r o n m e d i c i o n e s d e l a c a n t i d a d r e l a t i v a d e s u e l o movido p o r el v i e n t o , e n l a s d i s t i n t a s f o r m s , s o b r e campos c u l ti vados

.

D e a c u e r d o c o n 10s e x p u e s t o por S o r e n s e n C19Q13, Anderson y Haff C19913, S h a o y Raupach C19923, B e r k o f s k y y McEwan C19943, McKenna Neuman y N i c k l i n g C19943, l a d i n a r n i c a d e l p r o c e s o d e s a l t a c i b n i n v o l u c r a un c o n j u n t o d e i n t e r a c c i o n e s e n t r e p r o c e s o s d e t r a n s f e r e n c i a d e c a n t i d a d d e movimiento e n t r e el a i r e , l a s p a r - t i c u l a s e n s a l t a c i 6 n y l a s u p e r f i c i e d e l s u e l o . En e s t a i n t e - r a c c i 6 n toman p a r t @ l a s f u e r z a s q u e p r o v o c a n l a e l e v a c i b n d e l a s p a r t i c u l a s , 1 as c a r a c t e r i s t i c a s a e r o d i nAmi c a s d e l a s p a r t 1 c u l a s , l a e l e v a c i 6 n d e l a s p a r t i c u l a s por el i m p a c t o d e 1as q u e c a e n C s a l t a c i 6 n 3 y l a m o d i f i c a c i d n d e 10s p e r f i l e s v e r t i c a l e s d e v e l o - c i d a d d e l v i e n t o d e n t r o d e l a c a p a d e - s a l t a c i b n . A s p e c t o s b a s i c o s d e l a dinarnica d e s a l t a c i b n f u e r o n e s t a b l e c i d o s por t r a b a j o s p i o n e r o s d e Bagnol d e n 1941 C v e r Chepi 1

,

1945b3 y Owen C 19643

,

p e r o s b l o r e c i e n t e m e n t e se ha i n t e n t a d o modelar el c o n j u n t o d e

NcEwan y W i t l l e t t s , 1991; Raupach, 1991; Sorensen, 1991; B e r k o f s k y y McEwan, 1 9 9 4 ) .

11.3. FUERZAS ACTUANTES SOBRE LOS GRANOS EN EL SUELO La5 p r e s i o n e s que se e j e r c e n s o b r e una p a r t i c u l a d e l s u e l o cuando e s t A inmersa en un f l u i d o en movimiento como e l a i r e o e l aqua son l a s s i g u i e n t e s ( V e r C h e p i l and Woodruff 1963, D a i l y y Harleman, 1969; Mainguet, 1 9 8 5 ) :

-

Una p r e s i d n p o s i t i v a , s o b r e l a s u p e r f i c i e d e l g r a n o que se e n f r e n t a a l a d i r e c c i d n d e l f l u i d o en movimiento y e s p r o p o r c i o n a l a1 cuadrado de l a v e l o c i d a d d e l f l u i d o . Es l a l l a m a d a p r e s i b n de i m p a c t 0 ( P i ) , tambibn conocida como a r r a s t r e de forma.

-

Una p r e s i b n n e g a t i v a a s o t a v e n t o d e l grano. S u magnitud depende d e l c o e f i c i e n t e de v i s c o s i d a d , de l a densidad y de l a v e l o c i d a d d e l f l u i d o . Es l a llamada p r e s i d n v i s c o s a ( P v ) , tambien conocida como r e s i s t e n c i a s u p e r f i c i a l o a r r a s t r e p o r f r i c c i b n . La suma de l a s f u e r z a s , c o r r e s p o n d i e n t e s a e s t a s dos p r e s i o n e s , da p o r r e s u l t a d o e l a r r a s t r e t o t a l .

-

Una p r e s i b n n e g a t i v a ( L C ) en e l t o p e , causada p o r e l e f e c t o B e r n o u l l i . Se l a conoce como p r e s i b n e s t a t i c a . La r e s u l t a n t e de e s t a s f u e r z a s

( F r )

e s l a suma v e c t o r i a l de l a s componentes normales y t a n g e n c i a l e s i n t e g r a d a s s o b r e t o d a l a s u p e r f i c i e , que se e x p r e s a como: donde O es e l v e r s o r en l a d i r e c c i b n d e l f l u j o no p e r t u r b a d o p o r l a p r e s e n c i a de l a s p a r t i c u l a s y

JJ

es e l v e r s o r en l a d i r e c c i d n normal. TambiBn Fy = L C = Fuerza de s u s t e n t a c i d n F x = Fc = Fuerza de a r r a s t r e Tanto l a f u e r z a de a r r a s t r e como l a f u e r z a de s u s t e n t a c i d n i n c l u y e n componentes de f r i c c i 6 n y de p r e s i d n ( v e r D a y l y y Harleman, 1969), aunque generalmente no se descompone l a f u e r z a s u s t e n t a d o r a en componentes. En 10s cuerpos con forma aerodingmica, l a f u e r z a de s u s t e n t a c i b n se debe p r l n c i p a l m e n t e a1 e f e c t o de l a componente de p r e s i h .

Las f u e r z a s de a r r a s t r e y s u s t e n t a c i b n minimas p a r a mover e l grano (empuje y a r r a s t r e umbra11 d e l t o p e d e l s u e l o e s t A n

influenciadas por el diametro, la forma y la densidad del grano, p o r el angulo de reposo del grano, por la estructura del suelo y la intensidad de turbulencia del flujo (Chepil y Woodruff, 1963; Gillette, 1981; Greeley y otros, 1981 y 1982).

En la Figura 11.1 se esquematizan las fuerzas actuantes sobre particulas en reposo apoyadas sobre una superficie de s u e l o en presencia de viento.

Los cuerpos con forma aerodinimica o hidrodinimica tienen una resistencia superficial muy grande y a veces completamente dominante, mientras que e n 10s cuerpos con formas tales c o m o e s f e r a s predomina el a r r a s t r e d e forma.

P o r otro lado, s e define el coeficiente de arrastre total (Cd') (Dayly y Harleman, 1969; Welty y otros, 1984) tal que:

donde Cd'

=

Cdf + Cdp, Cdf es el coeficiente de arrastre debido a la friccidn, Cdp e s el coeficiente de arrastre debido a la presibn, UO es la velocidad del fluido fuera de la influencia d e las particulas y A e s el area normal a Uo.

I I

Figura

I

I. 1 Esquema d e f u e r z a s a c t u a n t e s s o b r e una p a r t i c u l a en r e p o s o apoyada s o b r e una s u p e r f i c i e d e s u e l o a f e c t a d a p o r l a v e l o c i d a d d e l v i e n t o . ( P e s e l peso d e l g r a n o e s f & r i c o , L C e s l a f u e r z a d e s u s t e n t a c i b n , F c

es

l a f u e r z a d e a r r a s t r e , Cg es e l c e n t r o d e g r a v e d a d , a e s e l A n g u l o d e r e p o s o l .

Suponiendo que las particulas de suelo son esfericas y

esthn inmersas en un f luido incompre-sible y homog&neo de gran extensibn, como puede ser considerado el aire, Cd' depende solamente de las fuerzas de inercia y de las fuerzas viscosas. Por

Reynolds (Re=Uod/v), donde d es e l d i a m e t r o de l a s p a r t i c u l a s y v es l a v i s c o s i d a d c i n e m a t i c a d e l a i r e .

En l a F i g u r a 11.2 se p r e s e n t a l a v a r i a c i 6 n de Cd' con e l nQmero de Reynolds o b t e n i d a e m p l r i c a m e n t e para e s f e r a s ( V e r Holman, 1979; Welty y y o t r o s 1984).

F i g u r a 11.2: C d ' e n f u n c i b n d e Re ( R e s u l t a d o s d e e x p e r i e n c i a s d e l e m p u j e s o b r e e s f e r a s . ( F u e n t e : Holman,, 1979)

11.4 FUERZAS ACTUANTES SOBRE LOS GRANOS EN MOVIMIENTO E l empuje y e l a r r a s t r e s o b r e 10s g r a n o s de s u e l o cambian rApidamente a medida que l a s p a r t i c u l a s se e l e v a n desde l a s u p e r f i c i e d e l s u e l o . E l empuje d e c r e c e con l a a l t u r a , cuando d i s m i n u y e e l g r a d i e n t e de v e l o c i d a d , haciendose d e s p r e c i a b l e a a l t u r a s cornparables con e l d i A m e t r o de 10s granos y e l a r r a s t r e aumenta con l a a l t u r a d e b i d o a1 i n c r e m e n t 0 de l a v e l o c i d a d d e l v i e n t o , l o que d e t e r m i n a l a magnitud de l a p r e s i 6 n d i r e c t a d e l v i e n t o s o b r e 10s granos.

C h e p i l ( 1 9 6 1 ) ( v e r C h e p i l y Woodruff 1963) propuso e l esquema que se p r e s e n t a en l a F i g u r a 11.3 y que p e r m i t e una r e p r e s e n t a c i b n de l a r e l a c i 6 n e n t r e e l empuje y e l a r r a s t r e con l a a l t u r a s o b r e e s f e r a s pequefias como p o d r i a n s e r c o n s i d e r a d o s 10s g r a n o s de s u e l o .

En l a F i g u r a 11.3 se observa que e l empuje d e j a de a c t u a r a 2.5 cm, m i e n t r a s que e l a r r a s t r e s i g u e aumentando con l a v e l o c i d a d d e l v i e n t o p a r a a l t u r a s mayores.

Despuks de s e r t r a n s f e r i d o s a1 a i r e , 10s g r a n o s ascienden y caen con movimiento a c e l e r a d o p o r e f e c t o de l a f u e r z a

I

de gravedad; a l a v e t , 10s g r a n o s e s t a n a f e c t a d o s p o r una a c e l e r a c i d n h o r i z o n t a l producl da por l a f uerza d e a r r a s t r e . Dado

que l a s a c e l e r a c i o n e s h o r i z o n t a l y v e r t i c a l s o n p r o p o r c i o n a l e s

,

l a t r a y e c t o r i a d e c a l d a d e 10s granos es, generalmente, una l i n e a

r e c t a con un Angulo de descenso con l a h o r i z o n t a l que o s c i l a e n t r e 10s 6O y 12O.

- - r *

DXRECClON DEL VIENTO

RESULTANTE

- - --

ESCALA

1

SUPERFI CIE MEDIA

- .+

.

F i g u r a 11.3: P a t r o n e s d e d i f e r e n c i a d e p r e s i 6 n e n t r e l a p o s i c i 6 n 1 s o b r e e l t o p e d e l a p a r t i c u l a y o t r a s p o s i c i o n e s d e l a e s f e r a e n un f l u j o d e a i r e . L a zona sombreada i n d i c a l a d i f e r e n c i a r e l a t i v a en l a p r e s i d n de a i r e . ( C h e p i l y Woodruf f , l ? 6 3 ) S i l a s u p e r f i c i e t e r r e s t r e f u e r a p e r f e c t a m e n t e l i s a y

no hub-iera empuje, e l Angulo de ascenso d e b e r i a s e r e l mismo que e l de descenso. S i n embargo, 10s g r a n o s en s a l t a c i b n s e e l e v a n c a s i v e r t i c a l m e n t e .

A p a r t i r de m e d i c i o n e s de l a p r e s i b n s o b r e p a r t i c u l a s e s f k r i c a s suspendidas, t a l e s como g r a n o s de s u e l o , C h e p i l ( v e r C h e p i l y Woodruff ,1963) c o n c l u y b que l a e l e v a c i b n es p r o d u c t 0 de

l a f u e r z a de empuje, p e r 0 que & s t a no p o d i a s e r e l a n i c o f a c t o r i n v o l u c r a d o . AdemBs, es i m p o r t a n t e e l e f e c t o p r o d u c i d o p o r l a p r e - s e n c i a de o b s t r u c c i o n e s s u p e r f i c i a l e s (agregados de s u e l o con forma aproximadamente e s f k r i c a que se a r r a s t a n o ruedan s o b r e l a s u p e r f i c i e ) , con l a s c u a l e s r e b o t a n 10s granos l l e v a n d o una d i r e c -

c i 6 n v e r t i c a l ( F i g u r a 1 1 . 4 ) . O t r o e f e c t o e s t d compuesto p o r 10s movimientos de r o t a c i b n observados en l a s p a r t i c u l a s en m o v i m i e n t o dando l u g a r a una c i r c u l a c i b n de a i r e a l r e d e d o r d e l grano de t a l forma que, s i e l v i e n t o s o p l a de i z q u i e r d a a derecha, e l a i r e

se

mueve en s e n t i d o c o n t r a r i o a1 mismo en l a p a r t e i n f e r i o r d e l g r a n o y en e l mismo s e n t i d o en l a p a r t e s u p e r i o r aumentando e l g r a d i e n t e de v e l o c i d a d e s ya e x i s t e n t e y p o r lo t a n t o , e l e f e c t o B e r n o u l l i .

I

ORANO EN

I

SALTACXON .-

--

-.- DIRECCION DLL

VIENTO '*

Figura

I I

.4: Represen tacibn de un grano en sa1 tacibn golpeando sobre un grano estacionario en un punto d e impacto medio A y

rebutando en direccibn vertical A'.

B

y C son posibles puntos d e impacto con direccibn de rebote

B'

y C'

.

(Chepil y Woodr~1ff,l963J

11.5 INICIACION

DEL

MOVIMIENTO

DE

LAS PARTICULAS

A partir de mediciones realizadas en un tanel de viento en laboratorio y en experiencias de campo, Chepil ( 1 9 4 5 a ) determin6 la velocidad minima requerida para transportar diferentes tipos y tamafios de granos de sue10 y analizb la5 condiciones que afectan la iniciacibn del movimiento del suelo. Chepil ( 1 9 4 5 a ) tambien definib la "velocidad umbral minima de fluido" como la menor velocidad requerida para producir el movimiento de la mayorla de 10s granos erosivos, y la "velocidad umbral mdx'ima de fluido" como la menor velocidad requerida para mover 10s granos mAs grandes. En condiciones de campo, cuando el flujo de aire estA cargado con particulas erosivas que, con su impacto sobre la superficie aceleran el comienzo del proceso, s e define el "umbral de impact0 minimo" como la velocidad minima necesaria para que se inicie el movimiento de partfculas durante el proceso de saltacibn.

La velocidad umbral depende de la densidad, la forma y

la distribucibn de tamaKos de particulas en el suelo y de la densidad del fluido (Chepil, 1945a; Chepil y Woodruff, 1963; Gillette, 1981; Greeley y otros, 1981 y 1982).

La velocidad umbral de impacto e s menor que la d e l fluido, hecho que coincide con las observaciones realizadas por Greeley y otros ( 1 9 8 1 ) y Gerety y Slingerland ( 1 9 8 2 ) quienes ademds remarcan el hecho que estas expresiones son vAlidas para superficies homogbneas. Una mayor dispersibn en la distribucibn de tamafios de particulas s e traduce en una disminucibn de la

velocidad minima para el comienzo del proceso erosivo.

Por otro lado, Bisal y Nielsen (1962) (ver Lyles y

Krauss, 1971) determinaron mediante observaciones realizadas con microscopio, que la mayorla de las particulas erosivas vibran por acci6n del viento a una frecuencia d e 1.8 5 0.3

Hz

hasta que se

levantan instantdneamente como impulsadas. Lyles y Krauss (1971)

postularon que estos impulsos s e deben a las fluctuaciones de la

presi6n. Ellos encontraron que la frecuencia que corresponde a la

maxima energla turbulenta del espectro de velocidad longitudinal

e s de 2.3 t 0.3 Hz y atribuyen el apartamiento a las diferencias

entre las densidades de las particulas y las del fluido.

Informaron, ademas, que en determinadas situaciones el movimiento

del grano no s e inicia sin la presencia de fluctuaciones

turbulentas y en general la velocidad media umbral disminuye

cuando aumenta la intensidad de las mismas.

Bagnold (1943) (ver Chepil y Woodruff, 1963) y Lyles

y Krauss (1971) encontraron que la iniciaci6n del movimiento esta

determinada, principalmnete, por la velocidad de friccidn que e s una medida de la turbulencia atmosf&rica que esti definida por:

donde u' y w ' son las fluctuaciones turbulentas d e las componentes

horizontal y vertical de la velocidad del viento (ver Capltulo 1 1 1 ) La velocidad de friccidn umbral ( u * ~ ) para el comienzo del proceso erosivo esti dada por: (Chepil, 1945b)

donde: pa

=

densidad del dire,

ps = densidad de la particula,

g = aceleracidn de la gravedad,

d

=

diimetro de la partlcula,

A

= coeficiente cuyo valor para d > 1 0 0 p m e s 0.1 para la

velocidad umbral de fluido y 0.085 para la velocidad umbral de

impact0 (ver Chepil, 1945b).

Por otro lado, Bagnold (1941) (ver Chepil y Milne,

1941) demostrd que el el flujo de arena ( q ) que s e mueve por

efecto de las fuerzas ejercidas por el viento puede ser expresado por:

donde

q es el f lujo de particulas que se mueven a traves de una

superficie de ancho unitario,

d es el diimetro medio de las particulas C m n 3 ,

D

es una constante = 0.025 mm,

g es la aceleraci6n de la gravedad,

C

es una constante que depende de la distribuci6n de tamaKos

de particulas, que varia desde

C

= 1.5 para tamaKos uniformes y

C

= 2.8 para un amplio rango de tamaKos de particulas,

u es la velocidad de friccibn modificada despubs del

rk

comienzo del proceso erosivo, tal que ui

>

ubt(Chepil, 1945) (ver

Capitulo 1 1 1 ) .

Ciccone y otros (1987) desarrollaron una investigaci6n

en un tdnel de viento, con el objeto de medir 10s efectos de

varios parametros, incluyendo las caracteristicas del viento

medio, la intensidad de la turbulencia y el contenido de humedad

sobre el proceso de erosi6n. partir de estos datos

experimentales elaboraron un modelo para predecir el flujo de masa vertical neto. Los resultados muestran que el flujo vertical seco

3

es porporcional a u* y el flujo sobre la superficie hQmeda es

. 5

CAPITULO 1 2

LA CAPA DE S U P E R F I C I E DE LA ATMCSFERA

I I I . 1 . FLUJO DE A1 RE

SOBRE SUPERFI C I ES AERODI

NAMI

CAMENTE L I

SAS

Como se mencion6 e n el C a p i t u l o 1 1 , 10s p r o c e s o s f 1 si cos i nvol u c r a d o s e n 1 a e r osi d n e6l i c a s o n c o n s e c u e n c i a , ademAs d e l t i p o y el e s t a d o d e l s u e l o , d e 1as c a r a c t e r i s t i c a s d e l a t u r b u l e n c i a d e l f l u j o d e a i r e e n l a c a p a d e s u p e r f i c i e d e l a a t m b s f era. La c a p a d e s u p e r f i c i e a t m o s f 6 r i c a es l a p a r t e d e l a c a p a l i m i t e a t m o s f b r i c a a d y a c e n t e a l a s u p e r f i c i e terrestre u b i c a d a por encima d e l a s u b c a p a l a m i n a r . En e s t a c a p a , l a i n t e r a c c i b n d e l a i r e c o n l a s u p e r f i c i e es muy marcada y s u s c o n d i c i o n e s se a j u s t a n r a p i d a m e n t e t a n t o a l a s v a r i a c i o n e s d e l a s u p e r f i c i e c o m o a l a s d e 10s p r o c e s o s a t m o s f & r i c o s d e g r a n escala. En l a c a p a d e s u p e r f i c i e , 10s f l u j o s t u r b u l e n t o s v e r t i c a l e s d e calor CHD, c a n t i d a d d e movimiento Cr3 y masa CCD se c o n s i d e r a n c o n s t a n t e s c o n l a a l t u r a , Cse a c e p t a una v a r i a c i b n d e l 10% r e s p e c t o d e l valor d e 10s f l u j o s e n s u p e r f i c i e 3 . E s t a c a p a t i e n e un e s p e s o r q u e v a r i a e n t r e 30 y 50 m e t r o s d e p e n d i e n d o d e 1as c o n d i c i o n e s d e l t e r r e n o , d e l a v e l o c i d a d d e l v i e n t o y d e l a e s t a b i l i dad atmosf & r i ca C V e r Panof s k y y D u t t o n

,

1 9 8 4 3 .

U t i 1 i z a n d o 1 a e c u a c i dn de Navi er - S t o k e s y c o n s i d e r a n d o l a s e c u a c i o n e s d e c o n t i n u i d a d y d e e s t a d o p a r a un f l u i d o

i ncompresi b l e e n c o n d i c i o n e s d e homogenei d a d hor i z o n t a l e s t a c i o n a r i e d a d se o b t i e n e q u e 1 os f 1 u jos v e r t i c a l es d e c a n t i d a d d e movimiento 3 y d e calor 3 e n l a a t m 6 s f e r a se pueden e x p r e s a r d e l a s i g u i e n t e manera CPanofsky y D u t t o n C 1 9 8 4 3 :

C I I I . 1 3 C I I I . 2 3 d o n d e

-

U p = u

-

u , con u como l a componente h o r i z o n t a l d e l a

v e l o c i d a d d e l v i e n t o e n l a d i r e c c i d n d e l f l u j o medio,

-

W p = w

-

w , c o n w c o m o l a componente v e r t i c a l d e l movimiento. En estas c o n d i c i o n e s se c o n s i d e r a

w

= 0,

-

8' = 8

-

8 , d o n d e 8 es l a t e m p e r a t u r a potential. P a r a el e s p e s o r y a l t u r a d e l a c a p a d e . s u p e r f i c i e se c o n s i d e r a q u e 8 es aproximadamente i g u a l a l a t e m p e r a t u r a d e l a i r e C T 3 , p es l a d e n s i d a d d e l a i r e , c p es el calor e s p e c i f i c o d e l a i r e a p r e s i 6 n c o n s t a n t e .

C l a b a r r a encima d e l a v a r i a b l e i n d i c a s u v a l o r medio3. I n t r o d u c i e n d o l a v e l o c i d a d d e f r i c c i 6 n C U * ~ y l a t e m p e r a t u r a c a r a t e r i s t i ca C T*3 d e f i n i d a s por : C I I I . 33 C I I I . 43 r e s u l t a q u e C I I I . 53 CIII. 6 3 G e n e r a l m e n t e se a d o p t a el modelo K C c l a u s u r a d e p r i m e r o r d e n 3 p a r a o b t e n e r l a d e s c r i p c i b n d e 10s f l u j o s t u r b u l e n t o s d e n t r o d e esta c a p a . E s t e modelo se b a s a e n l a a n a l o g l a q u e i n t r o d u j o B o u s s i n e s q e n 1877 e n t r e el t r a n s p o r t e t u r b u l e n t o y l a d i f u s i b n m o l e c u l a r y q u e p u e d e ser u t i l i z a d a cerca d e l a s u p e r f i c i e d e l s u e l o C v e r B u s i n g e r y o t r o s , 1971 ; S e g i n e r

,

1 9 7 4 ; M o n t e i t h , 1 9 7 3 ; P a n o f s k y y D u t t o n , 19843: u 6 uCz3 KmC z3

a

z

6 ecz3 KhC 23

a

z C I I I . 73 CIII. 83 k n d e K m C d y KhCzI s o n 10s c o e f i c i e n t e s d e i n t e r c a m b i o t u r b u l e n t o p a r a c a n t i d a d d e movimiento y c a l o r , r e s p e c t i v a m e n t e . E x i s t e n d i s t i n t a s f ormas f u n c i o n a l es p r o p u e s t a s p a r a KmCz3 y KhCz3. En 10s modelos d e l a c a p a l f mite n e u t r a l , s o b r e s u p e r f i c i es aer o d i nAmi camente l i s a s . s u e 1 e c o n s i d e r ar se

K ~ C Z ~ = K H C Z I c o n s t a n t e o v a r i a n d o l i n e a l m e n t e c o n l a a l t u r a d e a c u e r d o con l a e x p r e s i 6 n Km=ku*z CVer P a n o f s k y y D u t t o n . 19843 donde k = c o n s t a n t e d e von Karman.

M e d i a n t e l a t e o r i a d e l a s e m e j a n z a e u l e r i a n a d e Monin-Obukhov, b a s a d a e n 1 as c o n d i c i o n e s m A s si mpli f i c a d a s p a r a el

e s t u d i o d e l a c a p a , esto es, e s t a d o e s t a c i o n a r i o y s u p e r f i c i e s homog6neas y a e r o d i nAmicamente 1 isas, se o b t u v o una t e o r i a g e n e r a l d e l a t u r b u l e n c i a a t m o s f k r i c a Cver Tennekes y Lumley, 1972; P a n o f s k y y D u t t o n , 19843. D e a c u e r d o c o n e l l o se c o n s i d e r a q u e l a s v a r i a c i o n e s v e r t i c a l e s d e l a v e l o c i d a d d e l v i e n t o y d e l a t e m p e r a t u r a d e l a i r e s o n f u n c i o n e s d e l f l u j o v e r t i c a l d e c a n t i d a d d e movimiento y d e c a l o r r e s p e c t i v a m e n t e , d e l a a l t u r a y d e l a e s t a b i l i ' d a d atmosf &rica.

donde

auc

z3 = f C u * , 2 ,

L3

62

CIII.

9 3

CIII.

103

CIII.

113

El p a r a m e t r o

L

es c o n o c i d o como l a l o n g i t u d d e

Monin-Obukhov

Y

es una medida d e l a e s t a b i l i d a d a t m o s f & r i c a q u e r e l a c i o n a el empuje t & r m i c o y l a produccic5n d e e n e r g i a m e c a n i c a , y

/3

= g / T es el p a r a m e t r o d e empuje t e r m i c o .

A p l i c a n d o a 1as e c u a c i o n e s

CIII.93

y

CIII.103

el

a n a l i si s d i mensi o n a l or d i n a r i o se o b t i e n e n 1 as si g u i e n t e s r e l a c i o n e s :

CIII.

123

CIII. 133

Donde #m y #h s o n , r e s p e c t i vamente, 1 o s g r a d i e n t e s a d i mensi o n a l es

d e v i e n t o y t e m p e r a t u r a .

En c o n d i c i o n e s q u e se a p a r t a n d e l a n e u t r a l i d a d a t m o s f g r i c a , el c o e f i c i e n t e d e i n t e r c a m b i o t u r b u l e n t 0 d e c a n t i d a d d e movimiento puede ser d e f i n i d o m e d i a n t e una r e l a c i b n &s g e n e r a1 i z a d a como C Raupach

,

19793

:

L a s f o r m a s d e estas f u n c i o n e s a d i mensi o n a l es han si d o e n c o n t r a d a s e m p i r i camente por d i f e r e n t e s a u t o r e s CBusi n g e r y

o t r o s ,

1971;

Berkowics y Prahm,

1982;

P a n o f s k y y D u t t o n ,

1984;

S o r b j a n ,

19882

Cver T a b l a

111.13

I n t e g r a n d o l a s e c u a c i o n e s

CIII.

123

y

CIII.

133

con l a s f ormas g e n e r a l es d e

#m

y #h pr e s e n t a d o s e n 1 a Tab1 a

I

I

I.

1

,

se

o b t i enen e x p r esi b n e s con 1 a s si g u i e n t e s f o r mas g e n e r a1 es :

CIII. 143

A . Condiciones d e inestabilidad atmosferica (z/L<O)

a. Perfil adimensional d e la velocidad d.el viento:

#m = ( 1

-

a z / L ) b

z/L

-1 a 0 Dyer and Hicks ( 1 9 7 0 ) -2 a 0 Businger y o t r o s (1971) -10 a -2 Carl y otros ( 1 9 7 3 )

-2 a 0 Carl y otros ( 1 9 7 3 ) -10 a - 0 . 0 1 Dyer y Bradley ( 1 9 8 2 )

b. Perfil adimensional d e temperatura:

# h = c ( l - a z / L ) b

z/L

-1 a 0 Dyer and Hicks ( 1 9 7 0 ) -2 a 0 Businger y o t r o s ( 1 9 7 1 ) -0.5 a 0 Bradley y otros ( 1 9 8 1 ) -10 a - 0 . 0 1 Dyer y Bradley ( 1 9 8 2 )

B. Condiciones d e estabilidad atmosf&rica ( z / L

>

0 )

a. Perfil adimensional d e velocidad del viento :

+ m = l + a z / L

b. Perfil adimensionales d e temperatura :

t $ h = a + b z / L Webb ( 1 9 7 0 ) Businger y otros ( 1 9 7 1 ) Hicks ( 1 9 7 6 ) Webb ( 1 9 7 0 ) Businger y otros ( 1 9 7 1 ) Hicks ( 1 9 7 6 ) Tabla

I 1 1

. l . F o r m a s f u n c i o n a l e s p r o p u e s t a s p a r a 10s p e r f i l e s adimensional e s d e v i e n t o y tempera t u r d ( v e r S o r b ~ ~ a n , 19881

donde lymCz/L3 y lyhCz/L3 s o n 10s a p a r t a m i e n t o s , r e s p e c t o a l a n e u t r a l i d a d d e 10s p e r f i l e s d e v i e n t o y t e m p e r a t u r a , r e s p e c t i v a m e n t e , d e b i d o a l a e s t a b i l i d a d atmosf & r i c a y se e x p r e s a m e d i a n t e l a r e l a c i b n : C I I I . 163 ~ m C x 3 = l n C l + x f 2 3 + 2 1 n ~ l + ~ 3 - 2 a r c t g x + n n si z A < O donde x = C 1 + a z/~3'/' y, C z A 3 = -b z / L C I I I . 173 C I I I . 183 V h Cy3 = 2 I n C 1 + y

> /

2 donde y = C 1

-

a z / L > ' / ~ C I I I . 193

I I I . 2 . FLUJO DE A I RE SOBRE SUPERFI C I E S AERODI

NAMI

CAMENTE

RUGOSAS FORMADAS POR UNA COBERTURA VEGETAL

D i f e r e n t e s a u t o r e s CInoue, 1963; Cowan, 1968; Thorn,

1971; P l a t e . 1 9 7 1 ; D r u i l h e t y o t r o s , 1971; S e g i n e r , 1 9 7 4 ; M o n t e i t h , 1976; Kondo y Adashi, 1976; G r a c e , 1977; L y l e s y A l l i s o n , 1979; Raupach, 1979; A l b i n i , 1981; d e G a r i n , 1988 Abtew y o t r o s , 1989; K u s t a s y o t r o s , 19893, p r o p u s i e r o n m o d i f i c a c i o n e s a 10s modelos que d e s c r i b e n l a c a p a d e s u p e r f i c i e d e l a a t m b s f e r a s o b r e t e r r e n o s 1 i s o s y homog6neos por 1 a p r e s e n c i a d e una c a p a d e o b s t A c u l o s como ser una c o b e r t u r a v e g e t a l .

Por un l a d o , d e a c u e r d o a l o e x p u e s t o por d i s t i n t o s a u t o r e s CLyles y A l l i s o n , 1971; S e g i n e r , 1974; M o n t e i t h , 1976;

Raupach, 1979; K u s t a s y o t r o s , 1989; K r a m m , 1989; Abtew y o t r o s , 19893 cuando el a i r e f l u y e s o b r e una s u p e r f i c i e r u g o s a con o b s t A c u l o s muy compactos, el p e r f i l d e v i e n t o por encima d e l a c a p a es c o r r e g i d o m e d i a n t e una m o d i f i c a c i 6 n d e l p l a n o d e r e f e r e n c i a que a c t ~ a como s u m i d e r o d e c a n t i d a d d e movimiento.

En b a s e a e s t o , P l a t e C19713 y G r a c e C19773, e n t r e o t r o s , p r o p u s i e r o n e x p r e s i o n e s b a s a d a s e n l a t e o r i a d e Monin-Obukhov, p e r o i n c l u y e n d o una modif i c a c i 6 n e n el o r i g e n d e l a

coordenada v e r t i c a l medi a n t e el d e s p l azami e n t o d e l p l a n o c e r o C dl.

De

e s t a forma l a e x p r e s i b n C I I . 1 4 3 se m o d i f i c a a d q u i r i e n d o l a