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Serie Correlación Geológica 38 (1)

Estimating the hydraulic conductivity in river unconsolidated sediments. A critical analysis of several grain-size empirical approaches

Vannak Ann | Anna M. Romaní | Andrea Butturini

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Resumen

ESTIMACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA EN SEDIMENTOS DE RÍO NO CONSOLIDADOS. UN ANÁLISIS CRÍTICO DE APROXIMACIONES EMPÍRICAS BASADAS EN EL TAMAÑO DE GRANO. La conductividad hidráulica de los sedimentos (K) es esencial para comprender el flujo subsuperficial en los sistemas hiporeicos fluviales y estudiar el transporte de solutos en esos sistemas. En medios porosos no consolidados, la distribución granulométrica del sedimento es una variable esencial para estimar la K. En este estudio, exploramos los límites y las aplicaciones de 11 fórmulas definidas para calcular empíricamente los valores de K. Para este propósito, se recolectaron 36 “corers” de sedimentos arenosos de hasta 60 cm de profundidad en un tramo bajo del río Tordera (noreste de la Península Ibérica) durante tres campañas de muestreo (diciembre de 2012, junio y julio de 2013). Para los sedimentos estudiados (con gradación uniforme y pobremente clasificados), las fórmulas de Slichter, USBR y Harleman dieron los valores de K más bajos, mientras que los valores más altos se obtuvieron con las fórmulas de Beyer y Terzaghi. Por otro lado, las características de las muestras no se ajustaron al dominio de aplicabilidad de las fórmulas definidas por Krumbein y Monk, y Alyamani y Şen (1993). Sin embargo, dos fórmulas empíricas (Kozeny-Carman y Sauerbrei) generaron los valores de K más cercanos a nuestros primeros resultados observados (mediante medidas in situ de infiltración), y dentro de los límites de K dados anteriormente por otros autores para sedimentos similares. Por lo tanto, nuestros resultados obtenidos de un conjunto de muestras de sedimentos arenosos sugieren seleccionar la fórmula propuesta por Kozeny-Carman para determinar K a partir de la distribución granulométrica en sedimentos de río no consolidados.

Abstract

Sediment hydraulic conductivity (K) is an essential to understand subsuperficial flow in fluvial hyporheic systems, and to study solute transport in those systems. In unconsolidated porous media, sediment grain-size distribution is an essential variable to estimate K. In this study, we explored the limits and applications of 11 defined formulas to empirically compute K values. For this purpose, 36 sand sediment corers of up to 60 cm depth were collected at the downstream reach of the Tordera River (located at the north-east of the Iberian Peninsula) during three sampling campaigns (i.e., December 2012, June and July 2013). For our studied sediments (uniformly graded, moderately and poorly sorted), the Slichter, USBR and Harleman formulas gave the lowest K values while the Beyer and Terzaghi formulas the highest. On the other hand, our sample characteristics did not fit the applicability domain of the formulas defined by Krumbein and Monk, and Alyamani and Şen (1993). However, two empirical formulas (Kozeny-Carman and Sauerbrei) yielded the K values closer to our first observed results (by in situ infiltration measurements), and within the K limits given by previous authors for the similar type of sediments. Therefore, our results obtained from a set of sand sediment samples suggest selecting the formula proposed by Kozeny-Carman to determine K from grain-size distribution in unconsolidated river sediments.

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