obras presas

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. GENERALIDADES M. E. GUEVARA 1

ESTRUCTURAS HIDRULICAS

1. Aspectos Generales

Las estructura hidrulicas son las obras de ingeniera necesarias para lograr el aprovechamiento de los recursos hdricos y controlar su accin destructiva. Trabajan en la mayora de los casos en combinacin con elementos y equipos mecnicos. Se construyen en beneficio del hombre y el desarrollo de la humanidad.

Figura 1.1 CHE Itaip. (Brasil, Paraguay).

Al proyectar una obra hidrulica se debe buscar en lo posible que su utilizacin sea de uso mltiple para beneficiar varios sectores de la economa, entre los cuales estn:

1. Hidroenerga: utilizacin de la energa de las aguas fluviales o martimas. 2. Transporte acutico: utilizacin de las aguas fluviales, de lagos y mares para la navegacin y flotacin de madera. 3. Mejoramiento hdrico: utilizacin de aguas para irrigacin de tierras y para la extraccin de aguas excesivas de tierras sobresaturadas. 4. Suministro de agua para el consumo humano 5. Control de avenidas e inundaciones 6. Recreacin 7. Utilizacin de otras reservas hdricas: cra de peces, extraccin de minerales, sales, algas, etc. 8. Control de contaminacin ambiental

El ingeniero hidrulico tiene entre otros, los siguientes objetivos: Proyectar, disear, calcular y construir obras hidrulicas econmicas y seguras. Transformar y regular el rgimen natural de la fuente de agua: ro, lago, mar, aguas subterrneas. Crear depsitos y corrientes artificiales de agua: embalses, conducciones. Crear equipos o estructuras especializadas: esclusas de navegacin, edificios de centrales hidroelctricas, estaciones de bombeo, elevadores de peces, etc. Considerar los efectos desfavorables y los cambios ambientales que puedan generarse por la construccin de obras hidrulicas de forma que se prevean las medidas necesarias para contrarrestarlos.

2. Historia de las estructuras hidrulicas

La Ingeniera Hidrulica es tan antigua como la civilizacin misma. Esto es evidente si se piensa en la lucha del hombre por la supervivencia, que lo oblig a aprender a utilizar y a controlar el agua. Por sto, las civilizaciones antiguas se desarrollaron en las proximidades de los grandes ros que constituan un camino fcil para la comunicacin y eran fuente de agua para riego y para consumo humano. Desde muchos siglos antes de la era

Un nudo hidrulico es el conjunto de estructuras hidrulicas localizadas en un sitio y trabajando interconectadamente.

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cristiana, pueblos como los Asirios, Caldeos y Egipcios, se dedicaron con afn a buscar los beneficios que el agua les ofreca. Qu sera de la humanidad sin los ros Nilo, Ganges, Yant Tse Kiang, y sin ir tan lejos sin los ros Magdalena y Cauca?.

En tiempos prehistricos, alrededor del ao 12,000 a.C., aparecieron las primeras formas de agricultura y ganadera, al tiempo que empezaban a crearse las primitivas villas agrcolas.

Los canales pueden ser considerados la primera obra hidrulica de la humanidad ya que el hombre necesit hacer excavaciones para conducir el agua desde los ros hasta sus zonas de vivienda, cultivo o pastoreo. El material excavado era depositado a los lados de la zanja, dando as lugar a los diques. Posteriormente, el hombre vio cmo, colocando el material dentro del cauce de los ros, poda construir presas y dar lugar a embalses para almacenar agua durante el invierno y suplir sus necesidades en pocas de sequa.

Las presas de mampostera no cementado se construyeron desde el ao 4000 a.C. y se tiene conocimiento de obras de riego que datan del 3200 a.C. atribuidas al Faran Menes, fundador de la Dinasta Egipcia. En Holanda se han construido diques desde el ao 2000 a.C. para protegerse de los ataques del Mar del Norte. Posteriormente, los egipcios, no contentos con las posibilidades de riego y navegacin que les ofreca el ro Nilo, abrieron grandes canales para unir al Mar Rojo con el Mediterrneo, cuyas aguas usaban para irrigacin de sus campos.

Durante el Imperio Romano (siglo V a.C. siglo V d.C.), al lado de los centros urbanos se desarrollaron embalses de suministros, acueductos, canales, bocatomas, presas de mampostera, carreteras, puentes y el arco como elemento estructural. Solo hasta la edad media se empieza a hacer un desarrollo ms terico de la hidrulica.

Como se ve, el desarrollo de la Hidrulica como tal, est muy ligado al florecimiento de la cultura humana; su aplicacin emprica data de la ms remota antigedad. En cambio, el origen de la hidrulica cientfica o terica, puede situarse en el descubrimiento del principio de Arqumedes, (287 a 212 a de J.C.), y las leyes sobre flotacin derivadas por este gemetra y matemtico griego.

Ya en el siglo XVI (Renacimiento) se desarrollaron los principios de la hidrulica con cientficos como Keppler y Torricelli. Alrededor del ao 1800 Newton, Bernouilli y Euler perfeccionaron dichas teoras.

El primer modelo fsico hidrulico fue construido en el ao 1795 por el ingeniero Luis Jernimo Fargue sobre un tramo del Ro Garona (Espaa). En el ao 1885, Reynolds construy un modelo del ro Merssey, cerca de Liverpool. El primer laboratorio hidrulico fue fundado en Dresden (Alemania), en 1891, por el Profesor Engels.

En la poca moderna y con la revolucin industrial (siglos XVIII y XIX) aparecen las termoelctricas y despus las hidroelctricas. Ya en la poca contempornea (siglo XX) se proyectan grandes embalses y centrales hidroelctricas, centrales nucleares y maremotrices.

La poca dorada de las investigaciones con modelos fsicos para obras hidrulicas en el mundo, transcurri entre las dcadas de los treintas y los sesentas del siglo XX. En la dcada de los setenta, la modelacin fsica dio paso a los modelos matemticos que resultaron muy favorecidos por la llegada de los computadores personales en la dcada de los ochenta, facilitando la expansin de este tipo de herramientas. La modelacin fsica es ya una actividad rutinaria que en Europa y Norteamrica est actualmente limitada a casos muy especficos debido a su alto costo. Pases del tercer mundo cuentan con laboratorios y personal preparado para suplir sus necesidades de modelacin fsica, especialmente para proyectos de gran envergadura.

Desde finales del siglo XX, la nueva moda es la hidroinformtica en que las herramientas computacionales han agilizado los procedimientos mecnicos y han permitido la concepcin y ejecucin de grandes proyectos. Por ejemplo, no es raro hablar de presas de diversos materiales y alturas de 335 m como es Rogn en Tajikistn, de vertederos evacuando caudales del orden de los 62.200 m3/s como es el de la CHE de Itaip (Brazil - Paraguay) y embalses tan grandes como el de las Tres Gargantas en China con reas de inundacin de 632 km2 de donde se tomar el agua para generar 18.2 millones de KW. La presa de este proyecto, empezada a construir sobre el ro Yangtze en 1993 y cuya finalizacin se espera para el ao 2009, ser la presa mas larga y alta del mundo.

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. GENERALIDADES M. E. GUEVARA 3 Los mltiples usos de grandes volmenes de agua requieren de una planificacin total, para lograr conservar y optimizar el aprovechamiento de los recursos hidrulicos.

Referencias:

http://www.infoplease.com/ipa/A0113468.html

http://www.cnn.com/SPECIALS/1999/china.50/asian.superpower/three.gorges/

http://poseidon.unalmed.edu.co/PARH/Lab_hca/historia.html

http://www.planetaorganico.com.br/enhistor.htm.

Jacques J. P. The Role of Practitioners. IAHR. Newsletter 2. Volume 19.2002.

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3. Clasificacin de las estructuras hidrulicas

3.1 Segn su funcin

3.1.1 Estructuras de contencin. Mantienen un desnivel entre aguas arriba y aguas abajo. Son en general presas que interceptan la corriente de los ros en los caones o valles fluviales elevando el nivel de aguas arriba y generando un embalse en el vaso topogrfico natural.

3.1.2 Estructuras de regulacin. Deben controlar la accin erosiva de las corrientes en el fondo y orilla de los cauces.. Las estructuras reguladoras no crean como regla general embalses sino que actan sobre la direccin y la magnitud de las velocidades de flujo. Pueden pertenecer a este grupo los diques, las bateras de espolones, los azudes, etc. Adems de su funcin protectora pueden garantizar las profundidades y condiciones necesarias para navegacin y flotacin de maderas, crear condiciones para captacin de aguas en los ros, ganar tierras al mar, etc.

3.1.3 Estructuras de conduccin del agua. Transportan el agua de un punto a otro, o unen dos fuentes de caudales.

Canales: cauces artificiales hechos en el terreno superficial y funcionando por gravedad. Tuberas: conducciones que funcionan a flujo libre o a presin. Su construccin implica la desmantelacin de las capas superiores del terreno y son preferibles a un canal en topografas difciles o con vegetacin tupida. Tneles: conducciones que funcionan a flujo libre o a presin. No producen el desmantelamiento de las capas superiores del terreno y se usan en topografas de alta montaa.

Figura 3.1. Presa de contencin. Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.

1. Banca del ro 2. Dique 3. Espolones 4. Traviesas 5. Presas de cierre

Figura 3.2. Obras de regulacin de cauces. Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.


3.1.4 Estructuras de evacuacin de aguas de exceso Son los vertederos, rebosaderos o aliviaderos que sirven para evacuar el agua sobrante en forma controlada durante pocas de creciente. En algunos casos estas estructuras se construyen en el cuerpo de la presa y en otras separadamente.

3.1.5 Obras de toma de agua. Captan el agua para conducirla al sitio de consumo.

3.1.6 Obras de disipacin de la energa del agua. Tienen por fin amortiguar el poder erosivo del agua evitando su accin destructora. Pueden ser las canaletas amortiguadoras, salto de trampoln sumergido, salto de squi, bafles, etc.

Figura 3.3 Conductos con flujo a presin y flujo libre. Azevedo N., J. M. y Acosta A., G., 1975.

Figura 3.4. Vertederos de rebose. Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.

Figura 3.5. Bocatomas. Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.

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3.1.7 Estructuras hidrulicas especiales Sirven a uno o varios sectores de la economa hidrulica pero no a todos. Estn aqu incluidos los edificios de centrales hidroelctricas, pozos de carga, almenaras, esclusas navegables, elevadores de barcos, muelles, sedimentadores, redes de distribucin para riego o drenaje, colectores, estaciones de bombeo, plantas de tratamiento, pasos para peces, etc.

3.2 Estructuras principales, auxiliares o temporales

3.2.1 Estructuras principales Garantizan el trabajo normal del nudo hidrulico para cumplir con la funcin para la cual fue proyectado: presa, vertedero, bocatoma, disipador de energa.

3.2.2 Estructuras auxiliares Son necesarias para realizar la operacin de las principales. A estas corresponden los campamentos, talleres, vas terrestres, acueductos, iluminacin, telecomunicaciones, etc.

3.2.3 Estructuras temporales Necesarias mientras se construyen las principales: son las ataguas y conducciones de desvo.

3.3 Segn su localizacin en el sistema fluvial

Las estructuras pueden estar localizadas en el curso alto, medio o bajo de un ro. Segn la altura de carga que crean en el ro se llaman tambin de alta, media o baja presin.

3.3.1 Estructuras en el curso alto

Generan por lo regular cargas o presiones altas, donde la altura sobrepasa los 40 metros. Se dan en caones estrechos, con buenas cimentaciones; las presas son rgidas; altas y esbeltas, y los embalses pequeos y profundos.

Figura 3.6. Disipadores de energa. Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.

Figura 3.7. Pasos para peces. Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.


PLANTA 1. Presa 4. Bocatoma 7. Tnel auxiliar 10. Cmara de vlvulas 2. Pre-atagua 5. Tnel de desviacin 8. Tneles rebosadero

3. Atagua 6. Galera de desviacin 9. Tnel de carga 12. Cantera de roca

Figura 3.8. Planta de la zona de presa. Central hidroelctrica del Guavio. EEEB.

3.3.2 Estructuras en el curso medio Generan cargas o alturas de presin medias con alturas desde 8 a 40 metros. Los ros corresponden a zonas mendricas y entrenzadas, con caones amplios y sedimentacin en los cauces. Los embalses son medianos y grandes, las subpresiones son apreciables. Las presas son por lo regular de gravedad y de tipo flexible.

3.3.3 Estructuras de cauce bajo En ellas el nivel normal de contencin no sobrepasa los 8 metros. Las presas son de tipo rgido en concreto reforzado; las subpresiones son altas, los vertederos van incorporados a la estructura principal de contencin, los valles son aluviales y bastante amplios.

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Figura 3.9. Ro Mississippi en Mineapolis.

4. Sistema fluvial

El sistema fluvial est conformado por la franja por donde transcurre un ro desde que nace hasta que muere en el mar, un lago o en otro ro. Por simplicidad y conveniencia el sistema fluvial se ha dividido en tres zonas por las que pasa un ro al menos una vez a lo largo de su recorrido, (Figura 1.):

La zona 1 o curso alto, de montaa o de juventud de un ro. Corresponde a la parte ms alta de la cuenca hidrogrfica en donde se originan el caudal y los sedimentos. Est caracterizada por tener fuertes pendientes, velocidades altas y caudales bajos. El cauce transcurre por relieves escarpados y estratos rocosos principalmente. La energa del ro se consume en profundizar el cauce.

La zona 2 o curso medio, de madurez de un ro. Es la de transferencia o transporte de agua y sedimentos de la zona 1 a la zona 3. La energa del ro se consume en profundizar y ampliar el cauce. El ro forma meandros y entrenzamientos.

La zona 3 o curso bajo, aluvial o de vejez de un ro. Corresponde a la parte baja en donde el sedimento se deposita. Se caracteriza por tener pendientes bajas, velocidades bajas y altos caudales. El cauce transcurre en estratos aluviales de gran espesor. La tendencia del cauce es a ampliarse.


Figura 4.1. Sistema fluvial. Adaptada de Schumm.

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5. Recursos hidrulicos y su aprovechamiento de las obras hidrulicas

El agua es vital para todos los procesos de la supervivencia y el desarrollo. De all la importancia de las estructuras hidrulicas, que correctamente proyectadas, diseadas y construidas permiten el mejor aprovechamiento de los recursos hdricos ponindolos en funcin de las necesidades del hombre y su entorno.

Los recursos de agua sobre la tierra son colosales, habiendo sido estimados en 1385 Millones de Km3 considerando el volumen total de agua sobre la tierra (Marn, R. 1992). Este volumen de agua se encuentra distribuido as:

Agua salada 97.5% (1350 MKm3) Total 1385 M Km3 100% Agua dulce 2.5% (35 MKm3) En cascos polares y glaciares 69.55 % (24.4 MKm3) En aguas subterrneas 30.11 % (10.5 MKm3) En ros y lagos 0.30 % (105710 Km3) En la atmsfera 0.04 % (12900 Km3)

El caso de Colombia es privilegiado a nivel mundial ocupando el cuarto lugar en riqueza hdrica despus de la ex-Unin Sovitica, Canad y Brasil. Colombia tiene mas de 16000 cuerpos de agua que proporcionan un volumen de 25000 Mm3.

Colombia, de su permetro total de 9242 Km. tiene una tercera parte sobre costas distribuidas as: 1700 Km. de costas en el mar Caribe y 1300 Km. en el Ocano Pacfico. As mismo, Colombia ejerce jurisdiccin en mar territorial sobre 988.000 Km2 (lo que representa el 87% del pas en tierra firme).

En cuanto a precipitacin se tienen los siguientes promedios: Colombia 3000 mm/ao Amrica Sur 1600 mm/ao Promedio mundial 900 mm/ao

Colombia tiene una extensin total de aproximadamente 1141,748 km2, que constituye el 0.77% del rea continental de todo el globo y aporta el 4% de la escorrenta total. Considerando una evaporacin media en Colombia de 1150 mm/ao, la escorrenta resultante es de 1850 mm/ao, equivalente a 66978 m3/s.

5.1 Usos del agua en Colombia

El consumo de agua en Colombia se estima en 3284 m3/s, que representa un total del 5% de la escorrenta total disponible de 66978 m3/s, segn el libro Estadsticas sobre el Recurso Agua en Colombia publicado por el HIMAT en 1992 y cuya autora es del Ing. Rodrigo Marn Ramrez. A continuacin se resumen algunas de estas estadsticas:


a. Consumo humano (100 m3/s)

Para 1991 se consideraba que la poblacin contaba con un 61% de cubrimiento en servicios de acueducto y con un 43% de cubrimiento en alcantarillados. Esta cobertura se resume a continuacin para 1987.

Tabla 5.1. Cobertura de servicios de acueducto y alcantarillado. Marn R. 1992. Tipo de poblacin Acueducto % Alcantarillado % Grandes ciudades

Intermedias Menores Pequeas Rurales

96.0 71.9 62.7 52.1 26.8

76.3 53.9 48.0 35.5 13.4

b. Consumo agrcola (1000 m3/s) Del total del territorio colombiano, se tienen 6.6 Mhas con vocacin agrcola inmediata. Solo 750473 has (11.4%) tienen adecuacin de riego o drenaje. El 38% del total en adecuacin son realizaciones estatales y el resto (62%) realizaciones del sector privado. Aproximadamente el 40% del rea adecuada en Colombia corresponde a los Departamentos del Valle del Cauca y Tolima. A continuacin se dan algunos datos del inventario nacional de reas con riego (cifras de 1991).

Tabla 5.2. Extractos del inventario nacional de reas de riego. Marn, R. 1992.

Departamento Sector pblico (ha) Sector privado (ha) rea total (ha) Amazonas SI SI SI Atlntico 24618 1206 25824

Cauca SI 34496 34496 Nario SI 40 40 Tolima 55790 25700 81490

Valle del Cauca 10700 202113 212813 SI: sin informacin

Tabla 5.3. Riego en Colombia y otros pases. Marn, R. 1992.

Pas Tierras cultivadas (miles de ha)

Tierras regadas (miles de ha)

Porcentaje

Surinam 47 32 68.1 Per 3430 1180 34.4 Chile 5828 1320 22.6

Ecuador 2615 520 19.9 Colombia 5600 295 5.3 Argentina 35000 1540 4.4

Brasil 40720 1100 2.7

c. En la industria y termoenerga (184 m3/s) El consumo de agua por la industria es de 40 m3/s. El agua dulce usada en termoelctricas es 96 m3/s y la de mar es 48 m3/s. El 90% del agua captada por las termoelctricas se usa en refrigeracin. La termoenerga aportaba en 1989 una capacidad nominal de 1709 MW.

d. Hidroenerga (2000 m3/s) El potencial hidroelctrico tcnicamente aprovechable estimado es de 93.085 MW que serian obtenidos en 308 sitios considerando centrales de mas de 100 MW. Finalizando 1990 el pas contaba con una capacidad instalada de

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8370 MW. Esta cifra significa un 9% del potencial total. El potencial total instalable esta distribuido en 6 regiones que cuentan con los siguientes recursos:

Tabla 5.4. Potencial hidroenergtico instalable por regiones. Inventario Nacional de Recursos Hidroelctricos. 1979.

Regin Nmero de proyectos Capacidad (MW) Magdalena-Cauca

Ornoco-Catatumbo Sierra Nevada-Guajira

Atrato-Sin Vertiente del Pacfico

Amazona

132 79 10 10 44 33

35478 27324

631 5556 12078 12018

Total 308 93085

Tabla 5.5. Ejemplos de proyectos hidroelctricos en Colombia. Adaptada del Inventario Nacional de Recursos Hidroelctricos. 1979.

Regin Nombre Capacidad MW

Caudal m3/s

Volumen til Mm3

Cada neta m

Tipo de proyecto

I Betania * Florida II * Julumito *** Salvajina * La Miel *

667 24 53

180 375

445 213 39

142 160

1050 -

50 620 600

69 110 125 92

209

PP AC AC PP AC

II Guavio ** 1600 72 976 1091 AC IV Urr I *** 710 282 14300 135 AC V Micay *** 352 295 400 92 PP * Terminado ** Terminado en primera fase *** Estudios PP: pie de presa AC: alta cada

e. Navegacin fluvial El pas cuenta con 9 cuencas hidrogrficas:

Ros con navegacin comercial Magdalena Amazonas Orinoco Atrato San Juan

Ros con navegacin menor Pata y Mira Baud Sin Catatumbo

Se considera que en Colombia existen 18144 km de vas navegables, de las cuales el 37% de su longitud pertenece a la intendencia fluvial del Orinoco.

f. Recreacin

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. GENERALIDADES M. E. GUEVARA 13 El mayor aprovechamiento turstico se encuentra en los grandes embalses o represas naturales o artificiales tales como: Tota, Cocha, Cumbal, Calima, Prado.

Tabla 5.6. Resumen de la inversin en el desarrollo de los recursos hdricos. Marn R. 1992.

Proyecto US$ Millones * % Hidroenerga 656 60.0 Acueducto y alcantarillados 352 32.2 Riego y drenaje 47.5 4.34 Obras hidrulicas 12.9 1.18 Conservacin de cuencas 11.6 1.1 Reglamentacin y control 5.5 0.5 Hidrometeorologa 4.7 0.4 Recursos hidrobiolgicos 4.2 0.38 Regulacin de corrientes 2.3 0.21 Embalses 0.4 0.04 Aguas subterrneas 0.1 0.01 *Ao de 1990

El siguiente mapa resume aproximadamente el consumo del recurso agua en los diversos sectores de la economa hidrulica en Colombia. Este mapa muestra un consumo total aproximado de 3.500 m3/s, lo que representa un 5% de la escorrentia total disponible que es de aproximadamente 66.000 m3/s.

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CONSUMOS

85m /seg

40m /seg

AGUA DULCE 96 m /seg

AG.SALADA 48 m /seg

20000millones de m

15m /seg

42m /seg

1000m /seg

2000m /seg

RURAL

CONSUMO AGRICOLA

HIDROENERGIA

PRINCIPALES CIUDADES

CONSUMO RACIONAL

URBANO

CONSUMO INDUSTRIAL

TERMOENERGIA

CONSUMO DE ENERGIA ELECTRICA

CONSUMO HUMANO

ECUADOR BRASIL

VENEZUELA

PERU

OCEA

NO PA

CIFI

CO

MAR

CARI

BE

Figura 5.1. Consumo del agua en los diversos sectores en Colombia. (m3/s). Marn R. 1992.

6. Problemtica del recurso agua

El suministro de agua es constante a los largo del tiempo, no as la demanda que aumenta de da a da por el crecimiento poblacional. Afortunadamente, el suministro de agua no es esttico sino que existe un reciclaje natural dado por el ciclo hidrolgico. Otro problema radica en que la distribucin del agua sobre el globo terrqueo es desigual en el tiempo y en el espacio variando en cantidad y calidad. De sto se infiere la necesidad de proyectar las obras de ingeniera necesarias para lograr el mejor aprovechamiento de las aguas, buscando su encausamiento y evitando la accin erosiva.

La Nacin Colombiana se ha visto afectada por problemas naturales y que tienen origen en:

1. Desastres naturales de origen hidrometeorolgico 1.1. Sequa y estaciones secas 1.2. Desertificacin 1.3. Inundaciones

CONSUMOS

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. GENERALIDADES M. E. GUEVARA 15 2. Deterioro y contaminacin de las aguas causado porque son incapaces por si mismas de absorber y neutralizar los efectos de las descargas de aguas contaminadas. 2.1. Desages de aguas negras e industriales 2.2. Descargas slidas y radioactivas. 2.3. Zonas de alta concentracin de agroqumicos 2.4. Derrames de hidrocarburos 2.5. Transporte de sedimentos 2.6. Catstrofes naturales o inducidas

7. Datos necesarios para hacer la concepcin del proyecto de un nudo hidrulico

Las obras hidrulicas que se eligen para un emplazamiento (presa, embalse, vertedero, toma, etc.) dependen principalmente de las condiciones topogrficas, hidrolgicas, climticas y geolgicas.

Cuando se puede utilizar mas de un tipo de estructura hidrulica, se realizan presupuestos econmicos de las diferentes alternativas, y teniendo en cuenta factores tcnicos, ambientales y sociales, se escoge la ms ventajosa. La seguridad y el correcto funcionamiento de las estructuras son los requisitos indispensables, pero a menudo la seleccin final se ve afectada por las comparaciones econmicas, el impacto ambiental y el tiempo necesario para la construccin.

Para hacer la proyeccin de un nudo hidrulico se requiere de recoleccin de informacin y de investigaciones previas que en la mayora de los casos resultan costosas y largas. En general, se requiere en mayor o menor magnitud de la siguiente informacin:

A) Finalidad del nudo hidrulico

B) Clase del nudo hidrulico: martimo, fluvial, etc.

C) Mapas topogrficos y fotografas areas Indican las caractersticas de la superficie del valle y la relacin de las curvas de nivel con los diferentes requisitos de las estructuras. Las investigaciones topogrficas consisten en la recoleccin y/o preparacin de mapas topogrficos y fotografas areas. Las escalas usadas dependen de la magnitud del proyecto y del grado de precisin requerido. Escalas usuales son: 1:5000 con curvas de nivel cada 5 o 10 m, 1:1000 con curvas de nivel cada 1 m o topografas ms detalladas para la zona de las estructuras. La informacin topogrfica permite:

Localizacin general del proyecto. Localizacin de fuentes de agua. Posibilidad de trasvases.

Determinacin de las caractersticas de la cuenca hidrogrfica: rea de drenaje, parmetros morfomtricos del ro.

Localizacin de obras existentes afectadas por el proyecto. Localizacin posible de oficinas y campamentos. Localizacin de carreteras, ferrocarriles, servicios pblicos y posible reubicacin de los mismos. Localizacin de estaciones de aforo y muestreo. Utilizacin de la tierra. Avalo catastral de los predios afectados por el proyecto.

D) Datos Hidrolgicos El estudio hidrolgico permite por un lado, determinar las avenidas pasadas y esperadas con el fin de determinar la cantidad de agua a desviar, la capacidad del vertedero y por otra parte, lleva a determinar el agua con que se cuenta para el sistema de abastecimiento cualquiera que sea su fin. Datos tpicos son:

Registro de precipitaciones de varias estaciones diseminadas dentro de la cuenca con observaciones diarias durante varios aos. Registro de aforos con datos de descargas diarias, mensuales, anuales y caudales mximos durante varios aos. Estudio de avenidas pasadas y esperadas.

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Registro de niveles caractersticos observados en el ro. Temperatura mxima y mnima Intensidad de la evaporacin Direccin y velocidad del viento Espesores de hielo Cantidad y calidad de sedimentos. Materiales en suspensin Carga de lecho o arrastre de fondo. Usualmente se toma un % del anterior por ser tan difcil su medicin Estudios sanitarios Derecho nacional e internacional sobre las aguas.

E) Estudios de demanda Depende del tipo de proyecto: Abastecimiento de agua para consumo (acueductos) Generacin de energa hidrulica (centrales hidroelctricas) Irrigacin de campos agrcolas Drenaje vial, urbano y rural Control de inundaciones Hidrulica fluvial Hidrulica martima y de costas Navegacin Mquinas hidrulicas (turbinas, bombas, arietes) Hidroinformtica Modelacin hidrulica e hidrolgica Hidrologa de aguas superficiales y subterrneas Impacto ambiental de obras hidrulicas Industria Recreacin Calidad de agua Tratamiento de agua potable y residual

F) Datos geolgicos La informacin geolgica determina el tipo y la ubicacin mas favorable para las obras principales y auxiliares teniendo en cuenta sus condiciones de cimentacin y de estanqueidad. Los materiales de cimentacin condicionan el tipo de estructura a usarse, pero las limitaciones pueden compensarse con un proyecto adecuado. La geologa colombiana tiene una zona andina fuertemente afectada por movimientos orognicos y una zona oriental cubierta en su mayora por sedimentos recientes. Nuestra geologa se caracteriza por una serie de fallas y fracturas que originan inestabilidad en los taludes y que han sido la causa de graves problemas de construccin y operacin de algunas obras hidrulicas. Usualmente se requiere de la siguiente informacin:

Apiques y segn la magnitud del proyecto, perforaciones profundas que permitan la determinacin del perfil estratigrfico, de la direccin y buzamiento de las capas, diaclasamientos, etc. Anlisis de laboratorio para establecer las caractersticas fsico-qumicas de los suelos.

Anlisis de permeabilidad in situ Niveles freticos Presencia de materiales perjudiciales (depsitos de sal, calizas) Materiales disponibles de construccin (roca, grava, arena, arcilla), caractersticas, volmenes, distancia de acarreo, canteras. Perfil y secciones transversales geolgicas Zonificacin de la tectnica regional.

G) Estudios sanitarios Su importancia es determinada por el grado en que la contaminacin del agua constituye un limitante en el uso de la obra propuesta, requirindose de anlisis fsico-qumicos y bactereolgicos de las aguas de la cuenca de captacin.


H) Tiempo y poca disponible para la construccin

I) Presupuesto y financiacin

J) Investigaciones ecolgicas y ambientales Se debe considerar el efecto de las obras sobre el ambiente tanto aguas arriba como aguas debajo de la zona de proyecto.

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8. Impacto ambiental de proyectos de aprovechamiento de recursos hidrulicos

La construccin de obras hidrulicas impone la alteracin del conjunto de la cuenca hidrogrfica en la que se asienta. Esto supone alteraciones de tipo ambiental que deben ser estudiadas y evaluadas desde el punto de vista tcnico, ambiental y econmico.

El estudio de efecto ambiental est orientado a determinar y valorar la trascendencia de las modificaciones ocasionadas en el medio por la construccin de la obra hidrulica. Preguntas bsicas que debe resolver un estudio de impacto ambiental son: Qu elementos constituyen el proyecto ? Qu elementos constituyen el ecosistema potencialmente afectado ? Cul ser el impacto de las obras sobre los elementos constitutivos del ecosistema ? Qu medidas tomar para minimizar o mitigar los efectos ambientales negativos ? Qu pas realmente ?

La informacin sobre el proyecto incluye: Localizacin Descripcin del proyecto Obras constitutivas Estado legal del proyecto

La informacin ambiental comprende: Componente bitico Fauna Flora Componente abitico Suelos Agua Aire Paisaje Componente humano Condiciones de vida de la poblacin Servicios pblicos Patrones culturales Recursos histricos

El impacto de las obras sobre el ecosistema se debe evaluar para determinar los efectos directos e indirectos sobre el ecosistema, especificando si son positivos, negativos o no representan incidencias sobre la zona estudiada.

Referencias:

Azevedo N., J. M. y Acosta A., G., Manual de Hidrulica. Sexta edicin. Harla, S. A. de C. V. Mxico. 1975. Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. Hydraulic Structures. Unwin Hyman Ltda. London, UK. 1990. Villamizar C., A. Diseo de Presas de Tierra para Pequeos Almacenamientos. HIMAT. 1989.

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 1 EMBALSES

Son volmenes de agua retenidos en un vaso topogrfico natural o artificial gracias a la realizacin de obras hidrulicas.

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 siguiente 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 grandes almacenamientos pero facilitan regularizar el funcionamiento de sistemas de suministro de agua, plantas de tratamiento o estaciones 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 estadstico 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

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 2

La Figura 1.1 ilustra sobre la funcin reguladora de un embalse.

Figura 1.2. Capacidad reguladora de los embalses. Villamizar C., A. 1989.


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 causados por inundaciones. Mejoramiento de condiciones ambientales y paisajsticas.

Desventajas de los embalses

Prdidas en la actividad agroindustrial por inundacin de zonas con alto ndice de desarrollo. Cambios en la ecologa de la zona. Traslado de asentamientos humanos siempre difciles y costosos. Inestabilidad en los taludes. Posible incremento de la actividad ssmica, especialmente durante el llenado de embalses muy grandes.

Consideraciones para la seleccin del sitio del embalse

El vaso natural debe tener una adecuada capacidad, la que es definida por la topografa. Se debe buscar obtener la mayor relacin entre agua almacenada 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.

Tabla 1.1. Relaciones agua almacenada a volumen de presa. Recuento Profesional de Ingetec de 1982. Water Power and Dam Construction. 1990.

Presa Pas Volumen de la presa. p (106 m3)

H (m)

Capacidad til del embalse. e (106

m3)

e/p Inversin * MillonesUS$

Golillas Colombia 1.3 127 223 172 20.6 Esmeralda Colombia 11.5 237 668 58 45.0 Salvajina Colombia 4.5 154 620 138 58.5 Guavio Colombia 16.6 250 950 57 180.6 Calima Colombia 2.8 115 529 189 10.2 Emosson Suiza 1.1 180 225 205 Hoover USA 3.4 221 34,800 10235 Assuan Egipto 44.3 111 168,900 3813 Guri Venezuela 78 162 138,000 1769 Itaipu Brazil -

Paraguay 33.3 196 29,000 871

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 4 * Incluye presa, rebosadero, desviacin y obras anexas.

La geologa del lugar debe analizarse desde el punto de vista de la filtracin del lecho del embalse estudiando fallas, contactos y fisuras. Las filtraciones ocasionan no solamente prdidas de agua, sino tambin ascenso del nivel fretico dando lugar a cambios en las condiciones de los suelos adyacentes. 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 almacenamiento. Si resulta econmico, se puede impermeabilizar el vaso, lo que sobre todo es factible en el caso de pondajes.

La estabilidad de los taludes del embalse debe ser analizada, puesto que cuando el embalse est lleno 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 inundar. El costo de compra de los terrenos no debe 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 debe ser satisfactoria para el uso proyectado. Los aportes de agua de la cuenca hidrogrfica deben 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 correspondiente 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.

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 5 Se requiere para determinar estas curvas de informacin topogrfica consistente en un plano topogrfico 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 nivel de precisin requerido.

El incremento de volumen entre dos curvas de nivel consecutivas se calcula con la siguiente expresin:

( )sisi AAAA

h*

3++

=

= incremento de volumen entre curvas de nivel consecutivas h = diferencia de nivel entre curvas de nivel consecutivas Ai = rea correspondiente a un nivel inferior As = rea correspondiente a un nivel superior

Ejemplo

Tabla 1.2. rea y volumen del embalse. Elevacin rea rea h V V (msnm) (Ha) (m2) (m) (Mm3) (Mm3)

1158 0.0 0 0 1160 3.5 35,000 2 0.02 0.02 1162 12.5 125,000 2 0.15 0.17 1164 23.0 230,000 2 0.35 0.52 1166 36.0 360,000 2 0.59 1.11 1168 65.5 655,000 2 1.00 2.11 1170 93.0 930,000 2 1.58 3.69 1172 121.5 1,215,000 2 2.14 5.83 1174 167.8 1,678,000 2 2.88 8.71 1176 190.4 1,904,000 2 3.58 12.29 1178 240.8 2,408,000 2 4.30 16.59 1180 365.3 3,653,000 2 6.02 22.61

msnm: metros sobre el nivel del mar Ha: hectreas Mm3: millones de metros cbicos

= V

V = volumen acumulado correspondiente a cada nivel


Curvas caracteristicas del embalseArea-Elevacion

11561158116011621164116611681170117211741176117811801182

0.0 100.0 200.0 300.0 400.0Area (ha)

Elev

acio

n (m

snm)

Curvas caracteristicas del embalseVolumen-Elevacion

11561158116011621164116611681170117211741176117811801182

0 5 10 15 20 25Volumen (Millones de m3)

Elev

acio

n (m

snm)

Figura 1.3. Curvas caractersticas de los embalses.

Niveles caractersticos

Nivel de embalse muerto (NME): es el nivel mnimo de agua en el embalse. Delimita superiormente el volumen muerto del embalse el cul debe exceder en capacidad al volumen de sedimentos calculado durante la vida til con el fin de que el embalse los pueda contener. Su determinacin 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, condiciones de navegacin aguas arriba, altura de comando 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, suministro de agua, etc. Para su ubicacin se tienen en cuenta los siguientes aspectos: aportes de la cuenca, 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 medio del vertedor de demasas o rebosadero o aliviadero.

En condiciones normales ocurre oscilacin del nivel del agua entre el NNE y el NMOE.

Volumen total del embalse = volumen muerto + volumen de operacin + volumen til + volumen forzado.


NFE

NNE

NMOENEM

Presa

NEM

NFE

NNE

NMOE

Volumen forzado

Volumen de operacin

Volumen til

Volumen muerto

NFENNE

NMOE

NEM

h(msnm)

0V.M V.O V.til V.forzado

Area de inundacin

Volumen

rea

A = f(h)

V = f(h)

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

a) Planta

b) Perfil longitudinal

c) Curvas caractersticas


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 mxima de agua que puede garantizarse durante un perodo 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 alturas 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 comprueba que el ro sin proyecto puede proporcionar algn tipo de beneficio y por otro lado, que se llega un momento en que un incremento en la altura 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 aportes 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.

Altura Costo Beneficio Beneficio neto 0 0 24.1 24.1

40 13.4 69.7 56.3 55 46 117.4 71.4 60 62 179.8 117.8 64 75.7 201.8 126.1 67 86.5 220.2 133.7 68 90 230 140 75 120 236 116 76 150 240 90


Curva de costo y beneficio de un embalse

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250 300Costo (Millones de florines)

Altu

ra d

el e

mba

lse (m

)

Costo de la presa y embalse Beneficio total en 50 aos Beneficio neto

Figura 1.5. 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 hdricos. 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 agua. La evaluacin precisa de esta influencia se hace 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 hidrogrfica. Tres clases de materiales se distinguen en un cauce natural considerando nicamente la resistencia 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 considerablemente 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 granular y ser transportada en suspensin debido a su peso y tamao reducidos. El material rocoso usualmente no es movido o erodado por una corriente de agua durante el tiempo de vida de una estructura. El material rocoso puede comportarse como granular si est fracturado 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 problemas 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, arenas 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 diferencia 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 condiciones de la cuenca hidrogrfica.

Figura 1.6. Tipos de transporte de sedimentos. Maza J. A. 1987.

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 cuantificacin 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 velocidad y turbulencia, que hacen que las partculas del fondo del cauce se levanten. Las partculas se mantienen 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 muestreadores de sedimentos.

T

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 11 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 transporta 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 cauce. La carga lavada est formada por partculas muy finas, especialmente limos y arcillas que son mantenidas fcilmente en suspensin, con dimetro menor que 0.062 mm. No es significativa para el dimensionamiento 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 formada por la combinacin de carga de lecho suspendida y carga lavada.

Ss = Sls + Sl

Una muestra de agua tomada en una corriente natural es siempre representativa de la concentracin de material slido en suspensin puesto que incluye 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:

ST = SlT + Sl ST = Slf + Sls + Sl ST = Ss + Slf

La siguiente figura lustra la distribucin de sedimentos en un embalse.

Figura 1.7. Distribucin de sedimentos en un embalse. Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.

1. Depsito de material grueso 2. Depsito de material firme 3. Depsitos locales 4. Descarga de fondo


Problemas causados por los sedimentos

El destino final de un embalse es llenarse de sedimentos determinando as su vida til. Los sedimentos 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, descargas 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 principal 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 volumen total en un perodo til de 50 a 100 aos.

Efectos ambientales potenciales debidos a la construccin y puesta en marcha de un embalse

Los impactos originados por el embalsamiento deben 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 construccin de las obras en la corriente natural. Descarga de pesticidas, desechos orgnicos o petroqumicos y otros elementos contaminantes. Contaminacin del aire con partculas slidas en suspensin. Aumento del ruido como consecuencia de la utilizacin de maquinaria y de las diversas operaciones necesarias para la construccin de las obras. Inestabilidad de taludes por explotacin de canteras. En principio, la solucin ptima para la explotacin de canteras consiste en localizarlas en los terrenos correspondientes al vaso del embalse de forma que queden cubiertas por las aguas una vez que se haya puesto al servicio. Alteraciones en la morfologa del cauce, en la red de drenaje y en el paisaje. Alteraciones en la flora y la fauna por las desviaciones del cauce. Alteraciones sobre las condiciones de vida humana al presentarse presin sobre el uso de los servicios pblicos y en general sobre la poblacin tradicionalmente establecida. Introduccin de vectores de enfermedades.


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 recreativas. Contaminacin del aire por el trfico inducido. Descomposicin orgnica en el embalse. Eutroficacin. Deficiencias en la cantidad de oxgeno disuelto. Cambio de ambiente de ro a lago y posible reduccin de la diversidad de especies. Sedimentacin en el embalse, disminuyendo el volumen til y ocasionando la posible obstruccin de tomas y descargas de agua. Cambio en el paisaje como consecuencia de la desaparicin de algunos de sus elementos caractersticos, 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 desembalse sbito constituye la situacin de mayor peligro, no solo para la estabilidad de las laderas del embalse, 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 humedad atmosfrica. Efecto del remanso causando, por ejemplo, sedimentacin 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 difcil 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 efecto mas grande de la estratificacin trmica es la inhibicin de transferencia entre el epilimnion rico en oxigeno y el hipolimnion donde el oxigeno se agota debido a la oxidacin de residuos orgnicos.

- En la zona aguas abajo Erosin en el cauce por la retencin de sedimentos 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 aumentar control de inundaciones y a las posibilidades 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

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 15 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 retrazar el escurrimiento y mermar la erosin de la cuenca con el fin de reducir el aporte de sedimentos 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 afluentes 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 oxgeno. Controlar de niveles del agua para navegacin y recreacin. Remover de azolves.

Diseo del embalse

Consiste en la determinacin del tamao del almacenamiento incluyendo el volumen muerto, el til, las prdidas, volumen de operacin, volumen forzado y el borde libre.

Operacin de embalses

Es la simulacin del comportamiento del embalse a travs del tiempo.

Las reglas de operacin que se deducen estn afectadas por los datos hidrolgicos que son difciles de predecir, por lo que la regulacin que se establezca para el embalse debe ser ajustada o variada de acuerdo con las condiciones reales de funcionamiento que se presenten.

Los estudios se pueden dividir en tres tipos:

Determinar la descarga ptima del embalse teniendo en cuenta almacenamientos largos o estacionales (multianuales, anuales, mensuales).

Hacer la operacin del embalse para suplir las fluctuaciones de la demanda en horas picos (regulacin horaria, diaria, semanal).

Dar las reglas para la operacin del embalse en pocas de sequa o de precipitaciones extremas.

La operacin del embalse se hace para cualquiera de los siguientes casos:

Determinar el volumen necesario a embalsar para suplir la demanda.

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 16 Determinar el consumo mximo que se puede garantizar si se tiene como limitante el volumen del embalse. Optimizacin del embalse en proyectos multipropsito.

La operacin de embalses esta regulada por las siguientes ecuaciones bsicas:

Ecuacin de continuidad V = Ventra - Vsale V = cambio en el almacenamiento durante un perodo dado (semana, mes). Ventra = aportes al embalse durante un perodo dado (semana, mes). Vsale = caudales de demanda, vertimiento, prdidas durante un perodo dado. Las prdidas en el embalse pueden ser por evaporacin o por filtracin.

V = Vf -Vi Vf = almacenamiento al final del perodo Vi = almacenamiento al inicio del perodo

La operacin de embalses se hace para un ciclo. Un ciclo se considera formado por el nmero de aos para los cuales existen datos hidrolgicos. Para la mayora de estudios se buscan datos de mnimo 20 aos. Para el caso de muchos pequeos proyectos la informacin disponible es solo la que se puede recoger durante los estudios.

Para realizar la operacin de embalses se asume que el caudal que ha ocurrido en el pasado se repite en el futuro.

Tericamente se puede construir una presa en cualquier seccin de un curso de agua pero no siempre resulta prctico hacerlo de modo que resulte segura, econmica y de capacidad suficiente para suplir las necesidades de los usuarios. Se puede dar el caso de que la demanda de agua exceda la capacidad disponible del vaso. En estos casos, toca por ejemplo, aumentar la altura de la presa y a veces tambin se hace necesario la construccin de diques para aumentar la capacidad de almacenamiento.

Determinacin del volumen til

Para determinar el volumen til del embalse se consideran los siguientes criterios: Se busca tener el embalse lleno la mayor parte del ao. La operacin del embalse se inicia considerndolo lleno al inicio del ciclo. El embalse se considera lleno cuando el volumen de almacenamiento es cero y desocupado para un volumen igual al mximo valor absoluto. Rebose solo se presenta cuando el embalse est lleno y cuando el volumen que entra al embalse sea mayor que el volumen que sale del embalse. Al finalizar la operacin del embalse se debe chequear que el almacenamiento al final de la operacin sea igual al almacenamiento al inicio de la operacin. Este implica que se siga con la operacin del embalse hasta que logre el ajuste. El volumen til requerido es el mayor valor absoluto de la operacin del embalse.

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 17 El perodo critico es el nmero de perodos de tiempo desde que el embalse est lleno hasta que se desocupa. La operacin del embalse se puede hacer para perodos semanales, mensuales, anuales, o multianuales, con la limitacin de que los aportes medios del ro al embalse en un perodo dado deben superar la demanda media en el mismo perodo.

Ejemplo:

Calcular el volumen til del embalse para abastecer una demanda de 1.9 m3/s si se cuenta con los aportes del ro indicados en los respectivos grficos.

Caudales mnimos (m3/s) 1970 E F M A M J J A S O N D 1.3 0.6 1.3 2.9 1.3 2.8 2.2 3.9 3.4 3.0 2.8 1.7

Caudales mnimos (m3/s) 1971 E F M A M J J A S O N D 1.1 1.8 0.3 0.7 1.8 2.1 3.5 2.9 3.1 4.9 1.2 0.6

Graf ic o de aportes y demandas1970

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

E F M A M J J A S O N D

M eses

C audal de apo rtes C audal de dem anda

Grafico de aportes y dem and as197 1

0

1

2

3

4

5

6

E F M A M J J A S O N D

M eses

C audal de aportes C audal de dem anda

Figura 1.8. Grfico de aportes y demandas.

La operacin del embalse se resume en las siguientes tablas.


Tabla 1.4. Operacin del embalse. Vi = 0 (-5.2)

Ao Mes Qe Qd Ve Vd Vr AV AFM m

3/s m3/s Mm3 Mm3 Mm3 Mm3 Mm3 1970 E 1.3 1.9 3.4 5.0 0.0 -1.6 -1.6 (-6.8)

F 0.6 1.9 1.6 5.0 0.0 -3.4 -5.0 (-10.2)

M 1.3 1.9 3.4 5.0 0.0 -1.6 -6.6 (-11.8)

A 2.9 1.9 7.6 5.0 0.0 2.6 -4.0 (-9.2)

M 1.3 1.9 3.4 5.0 0.0 -1.6 -5.6 (-10.8)

J 2.8 1.9 7.4 5.0 0.0 2.4 -3.2 (-8.4)

J 2.2 1.9 5.8 5.0 0.0 0.8 -2.4 (-7.6)

A 3.9 1.9 10.2 5.0 2.8 (0.0) 2.4 (5.2) 0 (-2.4)

S 3.4 1.9 8.9 5.0 3.9 (1.5) 0.0 (2.4) 0.0

O 3 1.9 7.9 5.0 2.9 0.0 0.0

N 2.8 1.9 7.4 5.0 2.4 0.0 0.0

D 1.7 1.9 4.5 5.0 0.0 -0.5 -0.5

1971 E 1.1 1.9 2.9 5.0 0 -2.1 -2.6 F 1.8 1.9 4.7 5.0 0 -0.3 -2.9 M 0.3 1.9 0.8 5.0 0 -4.2 -7.1 A 0.7 1.9 1.8 5.0 0 -3.2 -10.3 M 1.8 1.9 4.7 5.0 0 -0.3 -10.6 J 2.1 1.9 5.5 5.0 0 0.5 -10.1 J 3.5 1.9 9.2 5.0 0 4.2 -5.9 A 2.9 1.9 7.6 5.0 0 2.6 -3.3 S 3.1 1.9 8.1 5.0 0 3.1 -0.2 O 4.9 1.9 12.9 5.0 7.7 0.2 0 N 1.2 1.9 3.2 5.0 0 -1.8 -1.8 D 0.6 1.9 1.6 5.0 0 -3.4 -5.2

Volumen til = 11.8 Mm3

La operacin realizada indica que el volumen til requerido para suplir la demanda es de 11.8 Mm3.

Perodo crtico = 6 meses (Octubre/1971 a Marzo/1970).

Tabla 1.5. Resumen de la operacin del embalse considerndolo lleno la mayor parte del ao. Mes E F M A M J J A S O N D V fin 1970 -6.8 -10.2 -11.8 -9.2 -10.8 -8.4 -7.6 -2.4 0 0 0 -0.5 V fin 1971 -2.6 -2.9 -7.1 -10.3 -10.6 -10.1 -5.9 -3.3 -0.2 0 -1.8 -5.2 V crtico -6.8 -10.2 -11.8 -10.3 -10.8 -10.1 -7.6 -3.3 -0.2 0 -1.8 -5.2 V mximo -2.6 -2.9 -7.1 -9.2 -10.6 -8.4 -5.9 -2.4 0 0 0 -0.5 V mximo 9.2 8.9 4.7 2.6 1.2 3.4 5.9 9.4 11.8 11.8 11.8 11.3


Resumen de la operacion del embalseEmbalse lleno la mayor parte del ano

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

E F M A M J J A S O N DMeses

Volu

men

util

(Mm3

)

Figura 1.9. Resumen de la operacin del embalse.

Determinacin del volumen muerto del embalse

Para el dimensionamiento de embalses, se requiere contar con estimativos suficientemente precisos del tipo, magnitud y variacin a travs del tiempo del transporte de slidos por las corrientes de agua que llegan al embalse. Esta informacin es til para planear medidas de control de erosin en la cuenca del embalse y anticipar los efectos de modificaciones en la hoya sobre la produccin de sedimentos. Es frecuente que la informacin histrica sobre transporte de sedimentos sea muy deficiente en cuanto a su calidad, representatividad y duracin. En muchos casos no hay datos y la informacin disponible es la que se obtiene durante el tiempo de estudio del proyecto. Este problema no es solo de Colombia pues tambin ocurre en pases desarrollados.

La ausencia de informacin se traduce en la dificultad para decidir sobre la factibilidad de un proyecto, especialmente cuando depende de la apreciacin correcta del acarreo de sedimentos al embalse.

Los factores principales que afectan el transporte de sedimentos a un embalse son: Caractersticas hidrulicas del cauce. Caractersticas de los materiales del cauce. Factores hidrometeorolgicos que afectan el proceso erosivo. Factores topogrficos, especialmente importantes en zonas de montaa que en combinacin con lluvias copiosas generan crecientes rpidas con alto potencial de arrastre. Factores geolgicos causantes de problemas principalmente en la zona andina de Colombia con frecuentes inestabilidades de los taludes y caones de los ros y quebradas. Estas inestabilidades generan la formacin de depsitos de sedimentos poco consolidados que a su vez constituyen aporte de sedimentos a los cauces. Factores erosivos agravados por reforestacin. Mal manejo de materiales sobrantes de obras de ingeniera civil.


La toma de datos de sedimentos en nuestro pas se inici hace unos 30 aos, habindose limitado especialmente a los ros con proyectos de centrales hidroelctricas importantes. La escasez de informacin ha ocasionado serias dificultades en la operacin de algunos embalses. Caso tpico es el del Bajo Anchicay que se colmat en pocos aos despus de su construccin y se ve sometido a permanentes operaciones de dragado.

Es posible calcular tericamente la capacidad de transporte de material de lecho de un ro aplicando principios de mecnica de fluidos, pero la dificultad est en la adquisicin de la informacin necesaria. La determinacin terica del material suspendido es difcil, y se hace preciso recurrir a la toma directa de muestras de campo. El material suspendido usualmente es predominante y sobre todo es alto en pocas lluviosas. El material de lecho usualmente se considera como un 25% del suspendido.

Ante la necesidad de contar con registros de sedimentos suficientemente largos y bien distribuidos a lo largo de la cuenca del cauce en estudio, es fundamental considerar las estaciones automticas de muestreo continuo y muestreadores de sedimentos para aguas altas.

En resumen, para el dimensionamiento del volumen muerto de un embalse, se requiere contar con informacin de caudales mximos y de aporte y calidad de los sedimentos que llegan al embalse.

Las gravas finas, arenas, limos y arcillas constituyen el mayor porcentaje de sedimentos que contribuyen a la formacin del embalse muerto. El mayor porcentaje de aporte de sedimentos se da cuando se presenta una creciente en el ro por lo que los caudales mximos son los que se consideran para la determinacin del volumen muerto. Dos formas para calcular el volumen muerto se van a considerar a continuacin, teniendo en cuenta si se tienen o no informacin sobre caudal y sedimentos.

a) Teniendo en cuenta informacin de caudal y de sedimentos

xFCCQTVMbT

= [m3, Mm3]

C = concentracin de sedimentos en un intervalo de tiempo t [kg/m3] Q = caudal mximo mensual [m3/s] T = vida til de la obra [aos] bT = densidad bulk del sedimento al cabo de la vida til del embalse, [kg/m3] peso volumtrico del sedimento FC = factor de conversin de unidades 1 ao = 31536,000 segundos bT b T= +1 log

b1 = densidad bulk inicial [kg/m3] = coeficiente de consolidacin

Lane & Koelzer (1953) dan los siguientes valores para el clculo de los anteriores parmetros.


Tabla 1.6. Valores de b1 y Estado del embalse Arena Limo Arcilla bi kg/m3) bi(kg/m3) bi(kg/m3) Siempre o casi siempre lleno 1500 0 1050 90 500 250 Embalse algo bajo 1500 0 1185 45 750 170 Embalse casi vaco 1500 0 1275 15 950 100 Embalse normalmente vaco 1500 0 1320 0 1250 0

El volumen muerto se puede calcular mes a mes o ao a ao considerando la informacin hidrolgica disponible.

El volumen muerto total en un ao se obtiene sumando el volumen muerto obtenido para cada intervalo de tiempo t en un ao y multiplicndolo por el nmero de aos de vida del embalse.

b) Teniendo en cuenta el volumen til del embalse

El volumen muerto se puede tomar preliminarmente entre un 8% y un 12 % del volumen til.

Ejemplo:

Determinar el volumen muerto si la vida til de la obra es de 50 aos y se cuenta con la siguiente informacin hidrolgica:

Concentraciones medias de sedimentos en suspencin (kg/m3) E F M A M J J A S O N D 0.26 0.18 0.16 0.33 0.25 0.20 0.09 0.09 0.16 0.30 0.38 0.22

Concentracin media de sedimentos = 0.22 kg/m3-mes

Caudales mximos (m3/s) E F M A M J J A S O N D 3.1 2.4 4.3 5.0 5.2 8.4 5.6 10.5 10.2 8.0 9.5 7.6

El sedimento est compuesto en un 60% por arena y en un 40% por limo.

Vida til del embalse = 50 aos

El embalse permanecer fluctuando entre el nivel mximo y el mnimo a lo largo del ao.

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 22 a) Clculo del volumen muerto teniendo en cuenta informacin mensual de caudal y de sedimentos

Clculo de la densidad bulk al cabo de la vida til de la obra para embalse casi totalmente sumergido: Arena bT = +1500 0 50log bT = 1500.0 [kg/m3]

Limo bT = +1050 90 50log bT = 1202.9 [kg/m3]

Los clculos para determinar el volumen de sedimentos que se acumula en el embalse durante un ao se resumen en la siguiente tabla.

Tabla 1.7. Clculo del volumen muerto. Mes Q max Q max Concentracin sed

(kg/m3) Carga sed. (Mkg) Volumen (m3) V total

(m3/s) (Mm3) Arena Limo Arena Limo Arena Limo (m3) E 3.1 8.15 0.16 0.10 1.27 0.85 847 704 1552 F 2.4 6.31 0.11 0.07 0.68 0.45 454 378 832 M 4.3 11.30 0.10 0.06 1.08 0.72 723 601 1324 A 5.0 13.14 0.20 0.13 2.60 1.73 1734 1442 3176 M 5.2 13.67 0.15 0.10 2.05 1.37 1367 1136 2503 J 8.4 22.08 0.12 0.08 2.65 1.77 1766 1468 3234 J 5.6 14.72 0.05 0.04 0.79 0.53 530 440 970 A 10.5 27.59 0.05 0.04 1.49 0.99 993 826 1819 S 10.2 26.81 0.10 0.06 2.57 1.72 1716 1426 3142 O 8.0 21.02 0.18 0.12 3.78 2.52 2523 2097 4620 N 9.5 24.97 0.23 0.15 5.69 3.79 3795 3155 6950 D 7.6 19.97 0.13 0.09 2.64 1.76 1758 1461 3219 Volumen total sedimentos (m3/ao) 33341

Notas: El mes fue considerado con un promedio de 30.42 das Densidad bulk de la arena para embalse lleno = 1500.00 kg/m3 Densidad bulk del limo para embalse lleno = 1202.91 kg/m3

La anterior tabla da un volumen de sedimentos de 33,341 m3/ao, por lo que el volumen total de sedimentos a acumularse en el perodo de vida til de la obra de 50 aos ser:

VM = 50*33,341 = 1667,050 m3 VM = 1.7 Mm3

b) Clculo del volumen muerto considerando el aporte medio de caudal y sedimentos

Media de la concentracin mensual de sedimentos = 0.22 kg/m3

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 23 Media mensual del caudal mximo en el ao Q = 6.65 m3/s

Arena

50*000,0001*1500

000,53631*65.6*22.0*6.0=VM = 0.92 Mm3

Limo

50*000,0001*9.1202

000,53631*65.6*22.0*4.0=VM = 0.77 Mm3

VM total = 1.69 Mm3

c) Clculo del volumen muerto si no se cuenta con informacin de sedimentos

VM = 0.12*VU VM = 0.12*11.8 VM = 1.4 Mm3

Prdidas de agua en el embalse Evaporacin

Para estimar las prdidas por evaporacin hay necesidad de conocer los requisitos y el tamao de la superficie libre del embalse. El volumen de agua evaporada del embalse se puede calcular mediante la formula:

Vev = 10A*Ev*C Vev = volumen de agua evaporada [m3] A = superficie media del embalse [ha] A = (A1 + A2)/2 A1 = rea correspondiente al embalse lleno (VM + VMOE + VU) A2 = rea correspondiente al embalse vaco (VM + VMOE) Ev = evaporacin promedia [mm/mes] C = nmero de meses correspondientes al perodo critico contados desde que el embalse est lleno hasta que est vaco

Tanto las prdidas por evaporacin como por infiltracin se calculan para un perodo de tiempo igual al del dficit continuo de mayor duracin.

Infiltracin

Aunque existen frmulas y mtodos matemticos para el clculo de la infiltracin a travs de la presa, fondo y contorno del embalse, la informacin necesaria no siempre est disponible por lo que para pequeos almacenamientos, se puede tomar como un porcentaje del volumen til del embalse as:


Tabla 1.8. Prdidas por infiltracin en el embalse. Villamizar C., A. 1989.

Suelos del embalse Infiltracin mensual (%) Impermeable Regular permeabilidad Permeable

1 1.5

2 a 5

Vinf = C*%VU Vinf = volumen de infiltracin [m3/mes] %VU = porcentaje del volumen til C = nmero de meses correspondientes al perodo critico contados desde que el embalse esta lleno hasta que est vaco

El siguiente es un resumen de la distribucin del agua en un embalse:

Evaporacin ( Vev )

Embalse til ( Vu )

Embalse muerto ( Vm )

Infiltracin ( Vi )

Balan

ce ent

re ex-

cedent

es y d

ficits

por mt

odos a

nal-

ticos o

grficos

8 a 12%

de

Volum

en

til

1 a 5%

Volum

en

til

Apor

tes

de ag

ua de

la

Cuen

caAporte Cuenca

Consumo Humano

Consumo Ganadera

Irrigacin

Recreacin

Pscicultura

Hidroenerga

DEMANDA

Vev

=

10 Ev C

Figura 1.10. Distribucin del agua en un embalse. Villamizar C., A. 1989.

Clculo de las prdidas de agua en el embalse

Volumen muerto = 1.8 Mm3 Elevacin = 1,166.9 msnm rea = 65 ha

Volumen til + volumen muerto = 11.8 + 1.8 = 13.6 Mm3 Elevacin = 1,176.5 msnm rea = 220 ha


Prdidas por evaporacin

Ev = 1,100 mm/ao Ev = 1,100/12 mm/mes

Vev = 10*A*Ev*C

Vev =+

10

65 2202

92 6* * *

Vev = 786,600 m3 Vev = 0.8 Mm3

Prdidas por infiltracin

Asumir lecho del embalse con regular impermeabilidad

VI = %*C*VU

VI =15100

6 118.

* .

VI = 1.1 Mm3

Prdidas totales de agua en el embalse = 1.9 Mm3

Volumen del embalse incluyendo prdidas, volumen muerto y til = 15.4 Mm3 Elevacin = 1177.5 msnm (NNE) rea = 240 ha

En este anlisis falta por considerar la altura necesaria para la operacin de la toma de agua que resulta del diseo hidrulico. Sin embargo, en un principio se puede despreciar lo que no lleva a alteraciones significativas sobre los resultados finales pues el volumen correspondiente de almacenamiento no es muy significativo.

Accin del viento

Las presas deben tener suficiente borde libre arriba del nivel mximo del embalse para que las ondas no puedan sobrepasar la cresta. El oleaje en un embalse es causado por el viento y por los movimientos propios del agua.

La accin del viento se considera significativa en embalses muy grandes (mayores de 200 km2) y debe calcularse. Para embalses pequeos la accin del viento se puede considerar con un factor de seguridad adicional en el borde libre de la presa.

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 26 El oleaje causado por el viento se calcula por medio de frmulas empricas de las cuales dos ejemplos son:

Formula de Diakon

h V F Po = 0 01860 71 0 24 0 54

.

. . .

ho = altura de la ola [m] V = velocidad del viento [m/s] F = fetch [km] Fetch = longitud mxima del embalse sobre la que sopla el viento dominante P = altura de la presa [m]

Formula de Stevenson - Molitor

h VF F040 0323 0 76 0 272= + . . .

ho = altura de la ola [m] V = velocidad del viento [km/h] F = fetch [km]

Es recomendable calcular la altura de la ola para dos casos: a) considerar la fetch para la direccin del viento dominante y b) considerar la fetch para la direccin del viento no dominante pues esta combinacin puede resultar en mayor altura de la ola.

Altura de trepada de la ola

La ola al chocar contra la cresta de la presa sufre una sobreelevacin que debe tenerse en cuenta al determinar el borde libre de la presa. Este efecto se puede considerar incrementando la altura de la ola en un 30%.

Altura total de trepada de la ola = 1.3 ho.

ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 27 Trnsito de crecientes en un embalse

El trnsito de crecientes en un embalse es un procedimiento que permite determinar el hidrograma de salida de un embalse, dados el hidrograma de entrada, las caractersticas del almacenamiento y de las salidas de agua.

La laminacin de una creciente consiste en la disminucin del caudal mximo de su hidrograma por medios naturales y artificiales. Por ejemplo, el desplazamiento de una onda de crecida va acompaado de una prdida natural de energa debida principalmente a la friccin que se produce por la resistencia al flujo que ponen el fondo y las mrgenes del ro, produciendo una reduccin del pico del hidrograma. Por otra parte, si la onda de crecida encuentra en su camino un embalse con un sistema de evacuacin cualquiera, parte del volumen de crecida servir para llevar el embalse hasta la cota de vertido (NNE). A partir de este nivel, la evacuacin del agua se har siguiendo las curvas caractersticas de aliviaderos y dems salidas del embalse, presentando el hidrograma de salida un pico ms pequeo que en el hidrograma de entrada.

Figura 1. Laminacin de la crecida en un embalse.

Para realizar el trnsito de una creciente en un embalse, se debe contar con la siguiente informacin: Curva de volumen del embalse en funcin del nivel del agua S = f (elevacin). Hidrograma de entrada I = f(t) Ecuacin de calibracin para la estructura de evacuacin de aguas de exceso O = f (h)

Existen varios procedimientos para realizar el trnsito de crecientes en un embalse como por ejemplo: mtodo del embalse a nivel en que el almacenamiento es una funcin no lineal del caudal y mtodo de Runge Kutta en que este procedimiento numrico se usa para resolver la ecuacin de continuidad (1). El mtodo de Muskingum se usa para el trnsito de crecientes en ros y asume que el almacenamiento es una funcin lineal del hidrograma de entrada y salida.

Hidrograma de salida Q

Q Hidrograma de entrada al embalse

I

Z t


Mtodo del embalse a nivel

El trnsito de crecientes en un embalse es un procedimiento que permite determinar el hidrograma de salida de un embalse asumiendo que la superficie del agua es horizontal, dados el hidrograma de entrada, las caractersticas del almacenamiento y de las salidas de agua.

Ecuacin de continuidad

)()( tQtItd

dS=

(1)

I(t) = hidrograma de crecida a la entrada de un embalse Qt) = hidrograma de crecida a la salida de un embalse dS = cambio de volumen de almacenamiento dt = intervalo de tiempo

La ecuacin anterior no se puede resolver directamente para un hidrograma de creciente de entrada conocido, porque tanto el hidrograma de salida como la variacin del almacenamiento en el tiempo son desconocidos. El hidrograma de entrada se puede obtener por registros de aforos directos o por evaluaciones de tipo hidrolgico. Para resolver la ecuacin (1) se requiere de una segunda ecuacin que est representada por las caractersticas del almacenamiento.

El tiempo es tomado en intervalos de duracin t, indexados con j, de forma que: t = 0, t, 2t, , jt, (j+1)t. La ecuacin de continuidad (1) se integra sobre cada intervalo de tiempo, como se observa en la siguiente figura.

Figura 2. Cambio de almacenamiento durante un perodo t. Chow, V. T. 1988.


Para el intervalo jth se obtiene la siguiente ecuacin:

++ =+ tjtjtjtjSS dttQdttIdSjj )1()1( )()(1 (2)

Los valores del caudal de entrada al inicio y al fin del intervalo jth son Ij e Ij+1, respectivamente y los correspondientes valores del hidrograma de salida son Qj y Qj+1. Si la variacin de la entrada I y la salida Q sobre el intervalo de tiempo es aproximadamente lineal, el cambio de almacenamiento en el intervalo Sj+1 - Sj, se obtiene al rescribir la ecuacin (2) as:

tQQ

tII

SS jjjjjj +

+

=++

+ 2211

1 (3)

Los valores de Ij e Ij+1 son conocidos para todo intervalo de tiempo. Los valores de Qj y Sj se conocen inicialmente y luego se obtienen del resultado de los clculos para el intervalo de tiempo jth anterior. Por lo tanto, las dos incgnitas son Qj+1 y Sj+1 que se pueden obtener de la ecuacin (3). Multiplicando y reordenando se llega a:

( )111 2 +++ ++=

jjjjjj QQII

t

SS (4)

jj

jjjj Q

t

SIIQ

t

S

++=+

+++ 2

211

1 (5)

Con el objeto de calcular el caudal de salida Qj+1, de la ecuacin (5), se requiere una funcin almacenamiento-salida que relacione Q y 2S/t + Q. El mtodo para desarrollar esta funcin usa las relaciones de elevacin volumen almacenado en el embalse y de elevacin caudal de salida por los aliviaderos, tal como se ilustra en la figura (3).

La relacin de elevacin volumen de agua almacenada se obtiene a partir de la planimetra de mapas topogrficos. La relacin entre elevacin del agua y caudal de salida se obtiene de las ecuaciones de patronamiento de las estructuras de descarga que relacionan carga de agua y caudal (Ver tabla 1).

Por ejemplo, la ecuacin de patronamiento de un vertedero tipo Creager con descarga automtica es:

Q = CLH3/2

Q = caudal C = coeficiente de descarga. Usualmente se toma alrededor de 2.2 en sistema mtrico de unidades. L = longitud efectiva de la cresta H = carga de agua sobre la cresta incluyendo la cabeza de velocidad


Figura 3. Desarrollo de la funcin almacenamiento-caudal de salida para el trnsito de crecientes. Chow, V. T. 1988.

El valor de t se toma como el intervalo de tiempo del hidrograma de entrada. Para un valor dado de la elevacin de la superficie del agua, los valores de almacenamiento S y caudal Q estn determinados, (partes a) y b) de la figura 3), por lo que el valor de QtS +/2 , se calcula y se puede graficar en el eje horizontal con el valor del caudal de salida Q en el eje vertical (parte c) de la figura 3).

En el trnsito del flujo a travs del intervalo de tiempo j, todos los trminos del lado derecho de la ecuacin (5) son conocidos y por lo tanto se pueden calcular los valores de 11 /2 ++ + jj QtS . El valor correspondiente de Qj+1 puede determinarse de la funcin almacenamiento-caudal de salida

QtS +/2 versus Q, ya sea grficamente o por interpolacin lineal de valores tabulados. Para continuar los clculos requeridos para el siguiente intervalo de tiempo, el valor de

11 /2 ++ jj QtS , se calcula por medio de la ecuacin (6)

111

11 2

22++

++

+

+

=

jjj

jj QQ

t

SQt

S (6)

Los clculos se repiten para los siguientes perodos de tiempo.


TIPO DE VERTEDERO ECUACIN NOTACIN Ogee con cresta sin control

23

LHCQ d=

Q = Caudal. Cd = Coeficiente de descarga. L = Longitud efectiva de la cresta. H = Cabeza total en la cresta, incluyendo cabeza de velocidad .

Ogee controlado por compuerta

=

232

23

1232 HHLCgQ d

Q = Caudal. Cd = Coeficiente de descarga. H1 = Cabeza total abajo de la abertura. H2 = Cabeza total arriba de la abertura.

Morning glory

( ) 232 HRCQ Sd pi=

Q = Caudal. Cd = Coeficiente de descarga. H = Cabeza total . RS = Radio de la cresta.

Tabla 1. Ecuaciones de caudal para vertederos. Chow, V. T. 1988.

Referencias Chow, V. T. Applied Hydrology. McGraw-Hill, Inc. 1988. IHE. Apuntes de clase. Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. Hydraulic Structures. Unwin Hyman Ltda. London, UK. 1990. Villamizar C., A. Diseo de Presas de Tierra para Pequeos Almacenamientos. HIMAT. 1989.

RS

H2 H1

PRESAS M. E. Guevara A. 1

PRESAS

Las presas son estructuras hidrulicas de contencin que permiten conseguir niveles de inundacin previstos y el embalsamiento de las aguas.

Clasificacin

1. Segn la funcin

1.1 Presas de embalse 1.2 Presas de derivacin

Estos dos tipos de presas sirven para elevar el nivel del agua y hacer posible su derivacin. Las presas de embalse tienen principalmente el objeto de almacenar agua para regular el caudal de un ro. Usualmente no estn construidas para permitir el vertimiento de las aguas por encima sino que tienen aliviaderos laterales que sirven para descargar el agua excedente. Esta disposicin separada de presa y vertedero se usa usualmente en el caso de que la presa est construida por materiales sueltos. Las presas rgidas facilitan combinar en una sola estructura la seccin sorda y la seccin vertedora, lo cual resulta mas econmico. Las presas de derivacin se disponen preferentemente para elevar el nivel del agua contribuyendo a incrementar la carga; el almacenamiento de agua es un objetivo secundario.

Figura 1. Presa baja derivadora. Vega R. O. Arregun C., F. I. 1987.

2. Segn como permitan el paso del agua

2.1 Presas de seccin sorda 2.2 Presas de seccin vertedora 2.3 Presas de seccin mixta

Las presas con seccin sorda no permiten el vertimiento de agua por encima de su estructura. En este caso, el agua se conduce al nivel inferior mediante estructuras de conduccin o aliviaderos anexos a la presa.

Las presas vertedoras o hidroaliviadoras permiten el paso del agua a travs de orificios superficiales alojados en su cuerpo. Las presas de concreto se construyen hidroaliviadoras y solo se deja una parte sorda en contacto con las orillas. Presas en concreto con seccin sorda se hacen muy pocas


actualmente pues resultan ms costosas que las presas de materiales sueltos. Las presas con seccin mixta se construyen de forma que parte de la presa permite el vertimiento del agua y parte no.

Las presas vertedoras pueden ser mviles o fijas. En las presas vertedoras mviles la descarga de agua puede regularse con compuertas que guarden los orificios (superficiales o profundos). El nivel del agua puede mantenerse constante en este caso gracias a la operacin de las compuertas. En estas presas el nivel normal del agua puede colocarse al nivel superior de la compuerta. Las presas vertedoras fijas (sin compuertas) no permiten la regulacin de la lmina de agua. La cresta vertedora se coloca al NNE. Durante crecientes, el nivel del agua en el embalse vara desde el nivel forzado hasta el nivel normal. En pocas normales, vara entre el NNE y el NMOE y en casos extremos hasta el NME.

Figura 2. Esquema tpicos de presas a) Vertedera mvil, b) vertedera fija y c) presa sorda. Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.

3. Segn la relacin de esbeltez

B Figura 3. Relacin de esbeltez.

= B/P B = ancho de la base de la presa P = altura de la presa

Segn la relacin de esbeltez las presas pueden ser de cuatro tipos:

3.1 Presas flexible 1.0 3.2 Presas de concreto gravedad 0.6 < 1.0 3.3 Presas de arco gravedad 0.3 < 0.6 3.4 Presas de arco puro < 0.3

P

a) b) c)


Tabla 1. Algunos ejemplos de relacin de esbeltez para presas construidas en el mundo. Presa Localizacin Tipo Altura (m) Ancho (m) Golillas Colombia B 127 420 3.3 Guavio Colombia A 240 912 3.8 Tunjita Colombia D 23 2 0.1 Hoover EUA C 221 201 0.9 Emosson Suiza D 180 49 0.27 A: Suelos con ncleo impermeable B: Enrocado con cara de concreto C: Arco grueso D: arco puro

4. Segn la altura de presin creada por la presa

4.1 Presa altas Las presas se pueden considerar altas si sobrepasan los 75 m de altura. La seguridad requerida por

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