Iron solubilization behaviour in the column

FélixSánchezͲTemblequeDíazͲPache Medicióndesuperficiessumergidasconláserenunlaboratoriodehidráulicafluvial UniversidadedaCoruña ProgramadeDoctoradoenIngenieríaCivil.TesisDoctoral

2. Estadodelconocimiento

2.1. Introducción.Laboratoriosdeingenieríafluvialymarítima. 2.1.1. Introducciónhistórica.

2.1.2. Modelosfísicosentransportedesedimentos. 2.1.3. Instrumentaciónparaestudiosconfondomóvil. 2.1.4. Medidadevelocidadesytensionestangenciales. 2.1.5. Medidadeltransportedefondoyensuspensión. 2.2. Medidasdefondosdesedimentos.

2.2.1. Sedimentossumergidosyemergidos.Medidasintrusivas. 2.2.2. Medidaspuntualesenunadimensión.

2.2.3. Medidasendosdimensionesbasadasenvideo convencional.

2.2.4. Medidasendosytresdimensionesbasadasenimagen digitalyluzestructurada.

2.3. Medidadesuperficiesconunescánerdeluzestructurada.

2.3.1. Fotogrametríayvisiónartificial.Visiónestereoscópica frentealuzestructurada.

2.3.2. Luzestructurada.Iluminaciónconvencionalyláser. Refracciónydispersióncromática.

2.3.3. Formacióndelaimagen.Lentesfotográficas: deformacionescilíndricasydeperspectiva.

2.3.4. Adquisicióndeimágenes.Sensoresdigitalesyevoluciónen laúltimadécada.

2.3.5. Mapeadodepíxelesacoordenadasreales.

2.3.6. Equiposcomercialesyexperimentales.PolhemusFastScan. 2.4. Tratamientodeimágenes.

2.4.1. Ajusteyreconocimientodepatrones. 2.4.2. Correlacióncruzadaen1,2y3dimensiones. 2.4.3. Correlacióncruzadadiscreta.

2.4.4. Obtencióndelpicodecorrelación.Interpolaciónsubpíxel.

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2.1.

Introducción.LaboratoriosdeIngenieríaFluvialy

Marítima

2.1.1.

Introducciónhistórica.

Unadelasintroduccionesmáscompletasquesehaencontradodurantela realizacióndeesteEstadodelConocimientoestáenellibrodeModelosFísicosy TécnicasdeLaboratorioenIngenieríaCosteradeStevenA.Hughes(Hughes,1993). Estadisciplina,laingenieríacostera,compartemuchosproblemasͲymetodologías para resolverlosͲ con la Ingeniería Fluvial, por cuanto los modelos de morfodinámicacosteraenmuchoscasosdebentenerencuentaladinámicadelos sedimentos.

Sepodríaconsiderarqueelestudioensentidocientíficodelahidrodinámica comienzaconLeonardodaVincienelsigloXV.DaVincifuedelosprimerosen estudiar yrepresentardiversosfenómenosdeflujoatravésdelaobservación visualdurantealgunosexperimentos.Delmismomodo,elprimerplanteamiento teóricodeloscriteriosdesemejanzaaescalaseleatribuyeaIsaacNewton(1642Ͳ 1727).

LosprimerosmodeloshidráulicosaescalaconocidossedebenalinglésJohn Smeaton,en1752Ͳ53.Suobjetivoeraestudiarelrendimientodemolinosynorias de agua.Si bienno empleórelacionesmatemáticasdeescala,sí resaltóla importanciaquetendrían.JeanͲBaptisteBélangerintrodujoporprimeravezen 1828larelacióndelavelocidaddeflujoylaraízcuadradadelaaceleracióndela gravedadmultiplicadaporlaprofundidadparalosflujosencanalenláminalibre. Cuandolarelaciónfuemenorquelaunidad,elflujosecomportacomoun movimientofluvial(esdecir,elflujosubcrítico),ycomounmovimientodeflujo torrencialcuandolarelacióneramayorquelaunidad(Chanson,2009).Enlosaños 70delmismosiglo,Froudeestableciórelacionesaescalaenlamismaforma estudiandolaestabilidaddebarcos.

ElprimerestudioconocidodemodelosconlechoerosionablesedebeLouisJ. Fargueen1875.FargueconstruyóunaseccióndelríoGaronaaescalapara demostrarlaefectividaddelasmedidasderegulaciónpropuestasporelmismo.En elmodelo,lasriberaseranfijas,mientrasqueelfondoeradearenasuelta.En 1885OsbourneReynoldsllevóacaboexperimentosconlechoerosionabledelrío MerseyempleandoarenaysutrabajofuecontinuadoporVernonHarcourt,que

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empleómaterialesmásligerosyestableciólasbasesdelafuturaexperimentación conlechomóvil.

Quizás la primera aproximación al problema de la observación de campos completosdeflujofluidofueseelexperimentodePrandtlen1904,quiendispuso deuncanalhorizontalparasuusoamododetúneldeviento,conunasecciónde ensayoyunasecciónderetornoconunmolineteaccionadoamano.Enél introducíaestructurastalescomocilindros,placasplanasyhastaperfilesdeala para estudiar su comportamiento. Para la observación del flujo introducía partículasdemicanegraenlasuperficiedelagua.

AcomienzosdelsigloXX,elcrecientenúmerodeproblemasderegulaciónfluvial llevóalempleocadavezmayordemodelosaescalareducidayalestudiodelas condicionesdesemejanzadelosmismosconlasleyesquedaríanpasopoco despuésaladefiniciónmásformaldelanálisisdimensional.

Desdeentonceshastaahoralaexperimentaciónenlaboratoriosehaextendido portodoelmundo,concadavezmásUniversidadesyotrasinstitucionescreando laboratorioshidráulicosparalaenseñanzaylainvestigación,especialmentecon posterioridadalaSegundaGuerraMundial.Elprogresoenlaexperimentaciónha hechoquelosmodelosfísicosaescalaseanenlaactualidadutilizadoscomo herramientasdediseñoenlagranmayoríadegrandesproyectosdehidráulica fluvial.

Talycomoseplanteóenlaintroducción,elflujoenlosríosimplicaadosactores fundamentales,elaguaylossedimentos.Lamedicióndeparámetrosenelestudio demodelosfísicosenloquerespectaalaguaestámuyasentadaconunalarga tradición.Enparticularyenrelaciónconlamedidadecamposdevelocidades,una nuevageneracióndeinstrumentaciónacústicadoppleryláserharevolucionado consuscapacidadeseltrabajoenloslaboratorios.

LaComisiónEuropeahapromocionadoatravésdelasiniciativasHydralab(I,II,IIIy recientementeIV,Frostick,2011)elusodemodelosaescala,particularmente enfocadoalaIngenieríaHidráulica,yelestudiodelaposibilidad(oimposibilidad) deestudiaresosmodelosenlaboratorioylasoportunidadesdeposiblessinergias conmodelosmatemáticoscontresobjetivosfundamentales:

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Ǧ Fomentarelintercambiodeinformaciónentrelaboratorios,yeldesarrollo conjuntoderecomendacionesdetrabajoyguíasdebuenasprácticas.

Ǧ Determinarlanecesidadyprocurareldesarrollodenuevastécnicasde mediciónexperimental.

2.1.2.

Modelosfísicosentransportedesedimentos.

Lostérminos‘modelofísico’,‘modeloreducido’,o‘modelohidráulico’sedefinen demuydiferentesmodossegúnlasdiferentesaproximacionesalproblemade reproducirlascondicionesdeunproblemahidráulicoconcreto.Unamuygenérica (Hughes,1993)eslasiguiente

Unmodelofísicoesunsistemafísicoreproducido(normalmenteentamaño

reducido)demodoquelasfuerzasdominantesactuantessobreelsistema

estánrepresentadasenlacorrectaproporciónrespectodelsistemafísico

real.

Esimportanteremarcartambién(Yalin,1971)laimportanciadelcorrectodiseño delmodeloparapredecirelcomportamientodeunfenómenofísico.Sieldiseño noescorrecto,elmodeloeserróneodesdeelprincipioylainstrumentaciónmás sofisticadasólosirveparamedirconprecisiónprediccioneserradas.Laexpresión eninglésmásempleadaparaexpresaresteprincipioes‘garbageingarbageout’.

Lasventajasdeltrabajoenmodeloreducido(Darlymple,1985)sonvarias,siendo lasmásimportanteslassiguientes

Ǧ Los modelos físicos reproducen las condiciones que gobiernan los procesos sin las simplificaciones que se realizan en los modelos matemáticosparapoder resolverlos. Esto es másimportanteen los estudiosdefenómenosrelacionadosconlaturbulencia.

Ǧ Eltamañoreducidopermitelatomadedatosamenorcostequeeltrabajo enelprototipoomodeloreal,enparticularenloqueserefiereala medidasimultáneadecamposdeparámetros.Elgradodecontrolsobreel experimentopermiteademáslasimulacióndecondicionesextremas.La visualizacióndirectadelosfenómenosofreceunaimpresióndirectadelo quesucederá,estimulandolacreatividadylabúsquedadesolucionesmás alládelateoríaoloscálculosmatemáticos.

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Ǧ Elavancedelastecnologíasdemedidadeparámetroshidrodinámicos comolavelocimetríadeimagendepartículashapermitidoconocerlas propiedadesdelflujohastaextremosantesdesconocidos.Asimismo,la potenciadelosordenadoreshapermitidolaadquisiciónyelprocesode cantidadesdedatosantesimpensables.

Losmodelosfísicosparatransportedesedimentosdebenreproducirdemanera adecuada el comportamiento de los mismos. Al igual que sucede con la hidrodinámica,seránecesarioestablecercuálessonlasfuerzasquedominande entrelasimplicadas(fricciónconelagua,cohesiónentrepartículas,gravedad…) parasurepresentaciónaescala,yestonosiempreseráposible.Larepresentación enmodelodeunfenómenodependeráfundamentalmentedelafórmulaque reproduce adecuadamente su comportamiento en el escenario modelizado (Soulsby,2008).

Losmaterialesdequeestánhechosloslechosdelosríos,estuariosyplayas provienendelameteorizacióndelasrocasentierrafirme,ytienenmuydiferentes granulometrías,texturasensumicroestructuraycomoagregados,ypropiedades fisicoͲquímicas como la cohesión. El parámetro más importante para su caracterizacióneseldiámetromedio,d50.Otrospercentilesdelascurvasde granulometríacomoeld90sonempleadosenocasiones.

Lamovilizacióndesedimentostienedosmecanismosfundamentales:transporte defondoyensuspensión(Chanson,1999,Vanoni,2006).Enlosmodelosaescala nopodránreproducirsesimultáneamenteydemanerafielambosfenómenos porquelasfuerzasquedominanunoyotrosondiferentesporloquesedeberá conocerpreviamentecuáleselquedominaparaelegirlosobreelotro,ydeberá estudiarseelordendemagnituddelerroralquesellegaporestaelección.

Enlosprocesosquetienenlugarenlazonaaderoturadeoleajedeplayasy estuarios,elprocesoareproduciraescalademaneraprecisaeslatrayectoriade caídadelossedimentos.Conseguirescalarlasvelocidadesdesedimentaciónes complejoporcuantoeltamañodesedimentoadecuadopuedellevarauno cohesivo.Lasoluciónaesteproblemaeslautilizacióndesedimentosartificialesde bajadensidadolaexageracióndelaescalaverticalenunmodelodistorsionado (Hughes,1997).

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La modelización aescala de lasgranulometrías,la textura del fondo y los antecedentesycondicionesdecontornoespaciales(ríoarribaocorrientearriba)y temporales(conposiblesprocesosdearmaduradelfondo)delapartedela realidadquesepretendemodelizarsontemasmuycomplejosdetrataryquese salendelámbitodeestatesisporloquenoserántratadosaquí.

Lamedidadefenómenosdetransportedesedimentossepuededividirporun ladoenlasprocesos,esdecirlosdiferentesmodosdetransporteyporotroensus consecuencias,lamodificacióndelamorfologíadelfondo.

Ǧ Medidadeltransporteensuspensión

Ǧ Medidadeltransportedefondo

Ǧ Medidadelamorfologíadelechosyestructuras(topografía,rugosidad)

Eslaúltimaenlaqueseinscribeestatesisdoctoral.Paralamodelizaciónymedida delosfenómenosdetransporteseránnecesariosdetalladosanálisisdimensionales delosprocesos,peronoasíparalamedidadelamorfologíadeloslechosenlas queintervienenparámetrosestrictamentegeométricos.Esporellosquealolargo deestatesisdoctoralnoseharáreferenciaamodelosdesemejanzamásalláde estaintroducción.

2.1.3.

Instrumentaciónenellaboratoriohidráulicoparaestudios