| Title: | Sediment transport in steep Andean rivers with coarse bed material |
| Authors: | Carrillo Serrano, Verónica Margarita |
| metadata.dc.contributor.advisor: | Timbe Castro, Luis Manuel |
| metadata.dc.contributor.tutor: | Cisneros Espinoza, Felipe Eduardo |
| metadata.dc.ucuenca.correspondencia: | vero_margarita_ca@yahoo.com |
| metadata.dc.subject.other: | Hidráulica |
| Keywords: | Ingeniería Civil
Carga de sedimento
Mediciones de campo |
| metadata.dc.audience.educationLevel: | Tesis de Doctorado (PhD) en Recursos Hídricos |
| metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescoamplio: | 25 Ciencias de la Tierra y del Espacio |
| metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescodetallado: | 2508.06 Hidrografía |
| metadata.dc.ucuenca.areaconocimientounescoespecifico: | 2508 Hidrología |
| Issue Date: | 5-May-2022 |
| metadata.dc.ucuenca.embargoend: | 5-May-2027 |
| metadata.dc.format.extent: | 111 páginas |
| Publisher: | Universidad de Cuenca |
| metadata.dc.description.city: | Cuenca |
| Series/Report no.: | PhD;15 |
| metadata.dc.type: | doctoralThesis |
| Abstract: | To improve the understanding of bedload sediment transport with the aim of proposing
estimations of its transport rates with greater accuracy, a comprehensive analysis was
developed. To investigate the former process, three rivers typical of the southern
Ecuadorian mountainous region with longitudinal slopes ranging from 0.8% to 10% were
characterized based on the hydraulic geometry (HG) theory. Dimensional and
dimensionless downstream HG relations were obtained for top width, average flow depth,
average flow velocity, and channel bed slope. The correlation coefficients (𝑅
2
) of these
HG relations indicated that the dimensionless equations adequately represented the
observed data of each parameter with a single relation for all three rivers except for slope.
Slope relation behavior indicates that slope is not dependent on discharge. Therefore, the
non-dimensional HG relations were reformulated using dimensionless discharge and bed
slope as independent variables. These new relations showed improved performance (high
𝑅
2
) and demonstrated the role of slope in determining channel hydraulic and geometric
variables. This might also indicate that slope would play an important role in the
determination of bedload transport rates.
A physical model of a characteristic high-gradient river was implemented to study
bedload sediment transport. Several scenarios of channel slope, discharge, and bed
material configuration were tested. The most relevant variables from a set of independent
variables considered were selected based on a stepwise regression. Additionally, sediment
characteristic diameter was also considered as an independent variable replicating the
analysis for four different characteristic diameters (𝑑16, 𝑑50, 𝑑84, and 𝑑90). Linear and
potential models were obtained with each characteristic diameter. Potential models
showed more consistent behavior throughout the entire range of the data considered.
Linear models performed better for medium to high transport rates. However, higher
dispersion in the estimations was obtained for the lower transport rates. Better
performance was observed for the models corresponding to the 𝑑50 and 𝑑84 characteristic
diameters. For a validation analysis, higher prediction capacity was obtained for potential
models (for 𝑑50 and 𝑑84) with 96% of the data falling within ½ order of the magnitude
bands. Based on 𝑅
2
, the 𝑑84 potential model can be selected as the one with the better
overall behavior for the laboratory-based models.
Using field and laboratory data and considering additional independent variables that
could describe better bedload sediment transport, a stepwise procedure was applied to
determine the more relevant variables to estimate bedload transport rates. Laboratory data
was used to validate field data behavior. Through the use of a State Dependent Parameter
(SDP) technique, the nonlinear relations between each of the relevant variables identified
and the bedload transport rate were established. From these relations, nonlinear models
were built to estimate bedload transport rates. Based on the relevant variables, potential
(linear through logarithmic transformation) models were also obtained for comparison.
Similar performances were reported for potential and nonlinear models for the data used
to calibrate the models. For validation of the models with an independent set of data, the
nonlinear 𝑑50 showed a higher level of accuracy. Considering the high level of
uncertainty in the estimations of bedload transport rates the 𝑑84 nonlinear model can be
also considered as acceptable. For the estimation of bedload transport rates in steep
Andean rivers with coarse bed material, the 𝑑50 and 𝑑84 nonlinear models can be applied
with an acceptable level of confidence for parameters with values within the range of
those corresponding to the data used to build the models. For extrapolation, the
application of this model must be subject to a verification process. |
| Description: | Se ha desarrollado un análisis integral para mejorar el entendimiento del transporte de
sedimento de carga de lecho con el objetivo de proponer estimaciones de sus tasas de
transporte con un nivel de precisión más alto. Para investigar procesos primarios, tres ríos
característicos de la región montañosa del sur del Ecuador, con pendientes longitudinales
que varían desde 0.8% a 10% fueron caracterizados por medio de la teoría de la geometría
hidráulica (HG). Relaciones de la HG dimensionales y adimensionales (aguas abajo) se
obtuvieron para el ancho en la superficie libre, el calado medio de flujo, la velocidad
media de flujo y la pendiente del lecho. Los coeficientes de correlación 𝑅
2 para estas
relaciones indican que las relaciones adimensionales representan de manera adecuada a
los datos observados de cada parámetro, con una relación común para los tres ríos, con
excepción de la pendiente. La relación de la pendiente indica que no es dependiente del
caudal. Por lo tanto, las relaciones adimensionales de la HG se reformularon usando el
caudal adimensional y la pendiente como variables independientes. Las nuevas relaciones
obtenidas mostraron un mejor desempeño (𝑅
2 mas altos) y demostraron el rol de la
pendiente en la determinación de las variables hidráulicas y geométricas de un canal. Esto
podría ser también el indicador de que la pendiente tendría un rol importante para la
determinación de las tasas de transporte de carga de lecho
Para el estudio del transporte de sedimento de carga de lecho se implementó un modelo
físico de un río característico de alta pendiente. Se probaron varios escenarios de
pendiente de canal, descarga, configuración de material del lecho, las variables más
relevantes, de un conjunto de variables independiente consideradas se seleccionaron por
medio de una metodología de regresión paso a paso racional. Adicionalmente, el diámetro
característico del sedimento se consideró también como una variable independiente y se
replicó el mismo análisis para cuatro diámetros característicos diferentes (𝑑16, 𝑑50, 𝑑84,
and 𝑑90). Para cada diámetro característico se obtuvieron modelos lineales y potenciales,
los modelos potenciales presentaron un comportamiento más consistente a lo largo del
rango total de los datos considerados; los modelos lineales se desempeñaron de mejor
manera para tasas de transporte de medias a altas, pero se obtuvo una mayor dispersión
para las tasas de transporte bajas. Un mejor desempeño se observó para los modelos
correspondientes a los diámetros característicos 𝑑50 y 𝑑84. Para el análisis de validación,
una capacidad de predicción más alta se obtuvo con los modelos potenciales (para 𝑑50 y
𝑑84) con el 96% de los datos dentro de las bandas de ½ orden de magnitud. Con base en
los valores de 𝑅
2
el modelo potencial con diámetro característico 𝑑84 se puede seleccionar
como el que tiene el mejor comportamiento general de todos los modelos obtenidos con
datos de laboratorio.
Usando datos de campo y de laboratorio, y considerando variables independientes
adicionales, que podrían describir mejor el transporte de sedimento de carga de lecho, se
aplicó una metodología de regresión paso a paso racional para determinar las variables más relevantes para estimar las tasas de transporte de carga de lecho. Los datos de
laboratorio se usaron para validad el comportamiento de los datos de campo. Con el uso
de la técnica de parámetros dependientes de un estado (SDP) se establecieron las
relaciones no lineales entre cada una de las variables relevantes identificadas y la tasa de
transporte de carga de lecho. A partir de estas relaciones, se construyeron modelos no
lineales para la estimación de las tasas de transporte de carga de lecho. Para realizar un
análisis comparativo con las variables relevantes, también se obtuvieron modelos
potenciales (lineales a través de una transformación logarítmica), desempeños similares
se reportaron para los modelos potenciales y los no lineales para los datos utilizados para
calibrar los modelos. Para la validación de los modelos con un set de datos independientes
el modelo no lineal con 𝑑50 presento un nivel de precisión mayor. Considerando el alto
nivel de incertidumbre en las estimaciones de las tasas de transporte de carga de lecho el
modelo no lineal con 𝑑84 se puede considerar como aceptable. Para la estimación de las
tasas de transporte de carga de lecho en ríos Andinos con pendiente elevada y material de
lecho grueso, los modelos no lineales con 𝑑50 y 𝑑84 se pueden aplicar con un nivel de
confianza aceptable para parámetros con valores dentro del rango de aquellos
correspondientes a los datos utilizados para construir los modelos. Para extrapolación, la
aplicación de este modelo debe ser sujeta a un proceso de verificación. |
| metadata.dc.description.degree: | Doctor (PhD) en Recursos Hídricos |
| URI: | http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/38928 |
| Appears in Collections: | Tesis Doctoral/PHD
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