ESTRUCTURAS HIDRULICAS

EMBALSES

Son volmenes de agua retenidos en un vaso topogrfico

natural o artificial gracias a la realizacin de obras hidru-

licas.

Figura 1.1. Ilustracin de un embalse. Villamizar C., A. 1989.

Clasificacin

La clasificacin de los embalses se puede hacer

segn su funcin y segn su tamao, de la siguien-

te manera:

1) Segn su funcin

1.1 Embalses de acumulacin: retienen excesos

de agua en perodos de alto escurrimiento

para ser usados en pocas de sequa.

1.2 Embalses de distribucin: no producen gran-

des almacenamientos pero facilitan regulari-

zar el funcionamiento de sistemas de sumi-

nistro de agua, plantas de tratamiento o esta-

ciones de bombeo.

1.3 Pondajes: pequeos almacenamientos para

suplir consumos locales o demandas pico.

2) Segn su tamao

La clasificacin de los embalses de acuerdo al

tamao se hace ms por razones de tipo esta-

dstico que por inters desde el punto de vista

tcnico.

2.1 Embalses gigantes > 100,000 Mm3

2.2 Embalses muy grandes 100,000 Mm3 > >

10,000 Mm3

2.3 Embalses grandes 10,000 Mm3 > > 1,000

Mm3

2.4 Embalses medianos 1,000 Mm3 > >1 Mm3

2.5 Embalses pequeos o pondajes < 1 Mm3

: volumen del embalse

Mm3 : millones de metros cbicos

Figura 1.2. Capacidad reguladora de los embalses.

La Figura 1.2 ilustra sobre la funcin reguladora de un embalse.

Ventajas de los embalses

Mejoramiento en el suministro de agua a ncleos

urbanos en pocas de sequa.

Aumento de las posibilidades y superficie de riegos.

Desarrollo de la industria pesquera.

Incremento de las posibilidades de recreacin.

Mantenimiento de reservas de agua para diferentes

usos.

Incremento de vas navegables y disminucin de

distancias para navegacin.

Control de crecientes de los ros y daos causa-

dos por inundaciones.

Mejoramiento de condiciones ambientales y paisa-

jsticas.

Desventajas de los embalses

Prdidas en la actividad agroindustrial por inunda-

cin de zonas con alto ndice de desarrollo.

Cambios en la ecologa de la zona.

Traslado de asentamientos humanos siempre dif-

ciles y costosos.

Inestabilidad en los taludes.

Posible incremento de la actividad ssmica, espe-

cialmente durante el llenado de embalses muy

grandes.

Consideraciones para la seleccin del sitio

del embalse

El vaso natural debe tener una adecuada capaci-

dad, la que es definida por la topografa. Se debe

buscar obtener la mayor relacin entre agua al-

macenada a volumen de presa, ojal mayor que

diez para pequeos proyectos. La siguiente tabla

incluye ejemplos de embalses muy conocidos a

nivel nacional y mundial.

La geologa del lugar debe analizarse desde el pun-

to de vista de la filtracin del lecho del embalse

estudiando fallas, contactos y fisuras. Las filtracio-

nes ocasionan no solamente prdidas de agua, sino

tambin ascenso del nivel fretico dando lugar a

cambios en las condiciones de los suelos adyacen-

tes. Las mejores condiciones para un embalse las

dan suelos arcillosos o suelos formados por rocas

sanas, y las peores los suelos limo-arenosos. Si las

filtraciones son muy grandes, casi seguro que el

vaso topogrfico natural no es factible para el al-

macenamiento. Si resulta econmico, se puede im-

permeabilizar el vaso, lo que sobre todo es facti-

ble en el caso de pondajes.

La estabilidad de los taludes del embalse debe ser

analizada, puesto que cuando el embalse est lle-

no no se presentan serios problemas, pero stos

surgen al ocurrir descensos en los niveles del agua

y especialmente si son sbitos.

Es necesario hacer el avalo de los terrenos a i-

nundar. El costo de compra de los terrenos no de-

be ser excesivo. El rea del embalse no debe tener

en lo posible vas importantes ni edificaciones de

relocalizacin costosa.

La calidad del agua embalsada es importante y de-

be ser satisfactoria para el uso proyectado.

Los aportes de agua de la cuenca hidrogrfica de-

ben ser suficientes durante los perodos de lluvia

para llenar el embalse y poder suplir la demanda

durante pocas de sequa; en otro caso, hay que

estudiar la posibilidad de trasvases.

El impacto ambiental y social tanto aguas arriba

como aguas abajo debe considerarse y evaluarse.

La limpieza de la zona del embalse puede resultar

costosa y debe considerarse a favor o en contra

de un proyecto. Materias flotantes, rboles y otros

desechos pueden ser causa de problemas en el

funcionamiento de las obras y en la explotacin

del embalse. La hoya hidrogrfica debe presentar

pocos sntomas de erosin.

Se busca que en la vecindad haya materiales para

la construccin de la presa y obras anexas.

Caractersticas de los embalses

Lo ms importante de un embalse es su capacidad

de almacenamiento, que se representa por medio

de las curvas caractersticas que son dos:

1. Curva rea-elevacin: se construye a partir de

informacin topogrfica planimetrando el rea

comprendida entre cada curva de nivel del vaso

topogrfico. Indica la superficie inundada co-

rrespondiente a cada elevacin.

2. Curva capacidad-elevacin: se obtiene mediante

la integracin de la curva area-elevacin. Indica

el volumen almacenado correspondiente a cada

elevacin.

Se requiere para determinar estas curvas de infor-

macin topogrfica consistente en un plano topo-

grfico de la cuenca hidrogrfica. Escalas usuales

son 1:50.000, 1:25.000, 1:20.000, 1:10.000, 1:5.000,

y 1:1.000, con curvas de nivel entre 20 m y 1 m,

dependiendo de la magnitud del proyecto y del ni-

vel de precisin requerido.

El incremento de volumen entre dos curvas de ni-

vel consecutivas se calcula con la siguiente expre-

sin:

= incremento de volumen entre curvas de

nivel consecutivas.

= diferencia de nivel entre curvas de nivel

consecutivas.

= rea correspondiente a un nivel inferior.

= rea correspondiente a un nivel superior.

Ejemplo

Tabla 1.2. rea y volumen del embalse.

msnm: metros sobre el nivel del mar

Ha: hectreas

Mm3: millones de metros cbicos V =

V = volumen acumulado correspondiente a cada nivel

Niveles caractersticos

Nivel de embalse muerto (NME): es el nivel

mnimo de agua en el embalse. Delimita supe-

riormente el volumen muerto del embalse el cul

debe exceder en capacidad al volumen de sedi-

mentos calculado durante la vida til con el fin de

que el embalse los pueda contener. Su determina-

cin es muy compleja, sobre todo si el embalse es

de propsito mltiple (caso en que debe tenerse

en cuenta la carga de agua sobre las turbinas, con-

diciones de navegacin aguas arriba, altura de co-

mando sobre las tierras de riego, etc.).

Nivel mnimo de operacin del embalse

(NMOE): delimita superiormente el volumen

generado por la altura mnima del agua necesaria

para el correcto funcionamiento de toma de agua

la que se sita por encima de NME.

Nivel normal del agua (NNE): delimita

superiormente al volumen til del embalse,

que es el que se aprovecha y gasta en funcin de

diferentes propsitos: energa, irrigacin, suminis-

tro de agua, etc. Para su ubicacin se tienen en

cuenta los siguientes aspectos: aportes de la cuen-

ca, demanda de agua, prdidas por infiltracin y

evaporacin.

Nivel forzado de agua (NFE): se presenta

temporalmente durante la creciente de los

ros dando lugar al volumen forzado del embalse,

el cual puede ser usado en algunos casos, pero

por lo general es evacuado rpidamente por me-

dio del vertedor de demasas o rebosadero o ali-

viadero.

En condiciones normales ocurre oscilacin del ni-

vel del agua entre el NNE y el NMOE.

Volumen total del embalse

Volumen muerto

Volumen de

operacin

Volumen til

Volumen forzado

= + + +

Figura 1.4. Representacin de los niveles caractersticos de un embalse.

Rendimiento del embalse

Es la cantidad de agua que puede proporcionar el

embalse en un intervalo especfico de tiempo.

El rendimiento seguro o firme, es la cantidad mxi-

ma de agua que puede garantizarse durante un pe-

rodo crtico de sequa. El rendimiento secundario

es el agua disponible en exceso del rendimiento

seguro durante perodos de escurrimiento altos.

Procedimiento general para la planeacin

de un embalse

1. Clculo del costo del embalse para varias altu-

ras del llenado.

2. Clculo del costo del beneficio que se puede

obtener al garantizar una demanda para varias

alturas de llenado.

3. Clculo del beneficio neto.

4. Seleccin del proyecto con mayores beneficios,

considerando si es necesario y posible, otros

factores como el social y el ecolgico.

Al hacer una optimizacin de este tipo, se com-

prueba que el ro sin proyecto puede proporcio-

nar algn tipo de beneficio y por otro lado, que se

llega un momento en que un incremento en la al-

tura de la presa no significa un incremento en el

beneficio neto. Esto se explica por el hecho de que

no se puede extraer del ro mas all de los apor-

tes que suministra en un perodo determinado.

La grfica 1.3 ilustra la situacin planteada.

Tabla 1.3. Costo y beneficio de un embalse para varias alturas de llenado.

Aporte de sedimentos al embalse

El aporte de sedimentos a un embalse tiene gran

influencia sobre la factibilidad tcnica y econmica

y sobre la operacin de proyectos de recursos h-

dricos. Los sedimentos ocasionan no solamente

reduccin de la capacidad de almacenamiento sino

que tambin pueden llegar a ocasionar problemas

en el funcionamiento de tomas y descargas de a-

gua. La evaluacin precisa de esta influencia se ha-

ce difcil porque normalmente existen limitaciones

significativas en la informacin bsica disponible.

Sedimentos son todas aquellas partculas que una

corriente lleva por deslizamiento, rodamiento, o

saltacin, ya sea en suspensin o sobre el fondo

del lecho. Los sedimentos tienen su origen en el

lecho, en las laderas del ro y en la cuenca hidro-

grfica. Tres clases de materiales se distinguen en

un cauce natural considerando nicamente la re-

sistencia que ofrecen a ser transportados por una

corriente: materiales no cohesivos o granulares,

materiales cohesivos y rocas.

El material granular est formado por partculas

sueltas. La fuerza que un lquido debe hacer para

mover las partculas es funcin del peso de cada

partcula y del coeficiente de friccin interna. El

material cohesivo est formado de partculas muy

pequeas que ofrecen resistencia al flujo de agua.

La fuerza de cohesin que impide el transporte

de las partculas por una corriente es considera-

blemente mayor que el peso de la partcula, y por

lo tanto, una vez que esta fuerza es vencida, la

partcula se puede comportar como si fuera gra-

nular y ser transportada en suspensin debido a

su peso y tamao reducidos.

El material rocoso usualmente no es movido o e-

rodado por una corriente de agua durante el tiem-

po de vida de una estructura. El material rocoso

puede comportarse como granular si est fractura-

do y la energa del flujo es muy alta.

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E.

GUEVARA 10

La interaccin entre el flujo y el material granular

aluvial ha sido ms ampliamente estudiada debido a

que es el caso ms frecuente asociado con proble-

mas en la hidrulica de ros.

Las partculas se mueven generalmente rodando o

deslizndose unas sobre otras en velocidades bajas.

Sin embargo, cuando las velocidades aumentan, are-

nas e incluso gravas pueden ser transportadas en

suspensin. El transporte de sedimentos se clasifica

en dos grandes grupos de acuerdo con su origen:

carga de lecho y carga lavada. La principal diferen-

cia entre el uno y el otro es que la carga de lecho

depende de las caractersticas hidrulicas del flujo y

de las caractersticas fsicas de los materiales, en

tanto que la carga lavada depende ms de las con-

diciones de la cuenca hidrogrfica.

Carga de lecho total (SlT)

Los sedimentos tienen origen en el lecho del cauce y

pueden ser transportados como carga de lecho en el

fondo (Slf), o como carga de lecho suspendida (Sls). La carga

de lecho es generalmente granular de tipo piedras, gravas, y

arenas.

SlT = Slf + Sls Slf = Carga de lecho en el fondo

Sls = Carga de lecho suspendida

Carga de lecho en el fondo (Slf)

Es el material del lecho que es transportado por la

corriente en una capa prxima al fondo ya sea por

deslizamiento, rodamiento o saltacin, y tiene un

espesor aproximado igual a dos veces el dimetro

de la partcula considerada. No es fcil su cuantifi-

cacin pues es complicado distinguir el material

que est en el fondo del cauce en movimiento y el

que no es arrastrado por la corriente.

Carga de lecho suspendida (Sls)

Es el material del lecho que es transportado en

suspensin por el flujo de agua debido a su veloci-

dad y turbulencia, que hacen que las partculas del

fondo del cauce se levanten. Las partculas se man-

tienen en suspensin hasta que caen nuevamente al

cesar las condiciones de velocidad y turbulencia.

Est formada principalmente por material granular

tipo arenas y gravas.

La carga en suspensin es cuantificable con mues-

treadores de sedimentos.

Una muestra de agua tomada en ros de cuencas

muy bien conservadas que aportan muy poca carga

lavada es representativa de la carga de lecho en

suspensin.

Carga lavada (Sl)

Est formada por el material muy fino que trans-

porta la corriente en suspensin. Estos sedimentos

tienen su origen en la cuenca hidrogrfica. Todo el

sedimento lavado proviene de aguas arriba y no es

representativo del sedimento en el fondo del cau-

ce. La carga lavada est formada por partculas muy

finas, especialmente limos y arcillas que son mante-

nidas fcilmente en suspensin, con dimetro me-

nor que 0.062 mm. No es significativa para el di-

mensionamiento de un embalse pero s afecta la

calidad del agua.

Una muestra de carga lavada se puede obtener en

tramos del ro con velocidades muy bajas, y su

cuantificacin debe hacerse en laboratorio.

Carga de sedimentos en suspensin (Ss)

La carga de sedimentos en suspensin est forma-

da por la combinacin de carga de lecho suspendi-

da y carga lavada.

Una muestra de agua tomada en una corriente na-

tural es siempre representativa de la concentracin

de material slido en suspensin puesto que inclu-

ye la carga lavada y la carga de lecho suspendida.

Carga total de sedimentos (ST)

La carga total de sedimentos est dada por las

siguientes expresiones:

La siguiente figura lustra la distribucin de sedimentos

en un embalse.

Problemas causados por los sedimentos

El destino final de un embalse es llenarse de sedi-

mentos determinando as su vida til. Los sedimen-

tos influyen sobre el cauce del ro interceptado y el

embalse en diferentes formas:

Depsitos de sedimentos en los embalses, lo que

ocasiona reduccin en el volumen til disponible,

obstruccin de tomas, estaciones de bombeo, des-

cargas de fondo.

Calidad deficiente de las aguas en cuanto a la

concentracin y al tipo de sedimentos. Esto puede

afectar la operacin de las plantas de tratamiento y

ocasionar desgastes en maquinas y tuberas.

Aguas arriba se causa agradacin en el ro princi-

pal y en los tributarios.

Aguas abajo se causa degradacin pues el agua

descargada tiene mayor capacidad de transporte

de sedimentos.

La sedimentacin en el embalse puede ser o no

significativa. En el 95% de los casos el volumen

muerto es del orden de un 10% (8% a 12%) del vo-

lumen total en un perodo til de 50 a 100 aos.

Efectos ambientales potenciales debidos a la

construccin y puesta en marcha de un em-

balse

Los impactos originados por el embalsamiento de-

ben ser analizados considerando la respuesta del

ecosistema durante las fases de construccin del

proyecto y de operacin del embalse. Una lista de

posibles impactos es la siguiente:

Fase de construccin

Desecho de sedimentos provenientes de la cons-

truccin de las obras en la corriente natural.

Descarga de pesticidas, desechos orgnicos o pe-

troqumicos y otros elementos contaminantes.

Contaminacin del aire con partculas slidas en

suspensin.

Aumento del ruido como consecuencia de la utili-

zacin de maquinaria y de las diversas operacio-

nes necesarias para la construccin de las obras

Fase de operacin del embalse

- En la zona inundada

Prdida de recursos edficos al quedar inundado

el vaso hidrogrfico.

Impacto en los usos del suelo por inundaciones

del terreno, siendo a veces preciso cambiar las

prcticas tradicionales.

Aporte de residuos al embalse por actividades re-

creativas.

Contaminacin del aire por el trfico inducido.

Descomposicin orgnica en el embalse.

Eutroficacin. Deficiencias en la cantidad de ox-

geno disuelto.

Cambio de ambiente de ro a lago y posible re-

duccin de la diversidad de especies.

Sedimentacin en el embalse, disminuyendo el vo-

lumen til y ocasionando la posible obstruccin de

tomas y descargas de agua.

Cambio en el paisaje como consecuencia de la de-

saparicin de algunos de sus elementos caracters-

ticos, o de su modificacin por la introduccin de

obras ajenas al medio.

Inestabilidad de taludes causada por el oleaje y

por la fluctuacin de niveles del agua. El desembal-

se sbito constituye la situacin de mayor peligro,

no solo para la estabilidad de las laderas del em-

balse, sino tambin para la estabilidad de la presa

especialmente si es de materiales sueltos.

Alteraciones sobre el nivel fretico.

Alteraciones de la fauna y de la vegetacin por

modificaciones en su hbitat natural.

Erosin de las laderas del embalse por la accin

del oleaje.

Evaporacin de embalses e incremento en la hu-

medad atmosfrica.

Efecto del remanso causando, por ejemplo, sedi-

mentacin en tributarios.

Estratificacin de temperaturas en el embalse, lo

que a su vez es origen de una gama de cambios

sobre la calidad del agua. Estos cambios son de dif-

cil prediccin y dependen de la geometra del vaso,

del flujo de agua en el embalse, de la velocidad del

viento, y de la radiacin solar. Probablemente el e-

fecto mas grande de la estratificacin trmica es la

inhibicin de transferencia entre el epilimnion rico

en oxigeno y el hipolimnion donde el oxgeno se a-

gota debido a la oxidacin de residuos orgnicos.

- En la zona aguas abajo

Erosin en el cauce por la retencin de sedimen-

tos aguas arriba.

Descenso de la fertilidad de los suelos al quedar

desprovistos de la aportacin de limo.

Impacto sobre la biota debido a la variacin en la

calidad del agua.

Posible eliminacin de nutrientes en el contenido

de agua, con efecto sobre los agroecosistemas.

Impacto sobre los peces, los cultivos, etc. Debido

al cambio de temperatura de las aguas.

Descarga de agua con temperaturas inadecuadas

para los usos aguas abajo.

Impacto favorable sobre los usos del suelo al au-

mentar control de inundaciones y a las posibilida-

des de irrigacin.

Control de contaminaciones al regular el caudal

en pocas de estiajes.

La anterior lista, a pesar de su extensin, no deja

de ser incompleta. Cada situacin debe ser

evaluada integralmente para definir la magnitud, la

importancia y la duracin de los efectos asociados

a cada proyecto de aprovechamiento del recurso

agua, y considerando, que algunos pueden ser

positivos y otros negativos.

Medidas de proteccin de un embalse

Cultivar las laderas en fajas o terrazas para re-

trasar el escurrimiento y mermar la erosin de

la cuenca con el fin de reducir el aporte de sedi-

mentos al embalse.

Construir pequeas presas de retencin en las

laderas.

Colocar cubierta vegetal sobre el terreno para

amortiguar el impacto de la lluvia.

Construir trampas de sedimentos en los afluen-

tes al embalse.

Estabilizar los suelos de los taludes.

Desmontar y limpiar del vaso.

Tratar las aguas que llegan al vaso.

Airear naturalmente el embalse por oscilacin de

niveles del agua y eventualmente usar aireacin

artificial, por ejemplo, haciendo inyecciones de o-

xgeno.

Controlar de niveles del agua para navegacin y

recreacin.

Remover de azolves.