Tema 2. Obras de Captacion Control y Almacenamiento Parte 2 2010b

Torre-tomaSe utilizan en represas para el abastecimiento de grandes ciudades que demandan altos gastos de consumo de agua.

Posee varias compuertas a diferentes niveles para permitir la captación del gasto deseado

Obras de Captación para fuentes Subterráneas

Galerías

Horizontales

Canales abiertos o

galerías superficiales

Túneles o galerías

subterráneas

Drenes

Pozos

Verticales

Gran diámetro (algibes)

Tubulares de pequeño diámetro

Sondeos

Galerías

Consiste en una canalización, túnel o tubería ranurada (drenes), construidos por debajo del nivel freático de estratos de acuíferos

cercanos a ríos para interceptar la corriente provocando así la captación. Con una topografía del terreno adecuada y una ligera pendiente de las galerías, el agua sale al exterior por gravedad,

sin bombeo. Los drenes son similares, pero son tubos de pequeño diámetro, perforados con máquina, normalmente hasta unas decenas de metros. Las zanjas, pueden ser una o varias que

descargan a un pozo colector desde el que se bombea.

Pozos

Se construyen para obtener el agua por penetración vertical del acuífero. Los sondeos son generalmente de

menordiámetro y mayor profundidad que los pozos excavados.

Esta constituido por una rejilla de captación, el centralizador, la tubería de revestimiento, la empacadura

de grava (si es necesario), la bomba y los accesorios complementarios.

OBRAS TOMAS

Son conductos a través de los cuales se extrae el agua. Conjunto de estructuras y sus auxiliares que permiten una conducción satisfactoria del flujo y un eficiente

control y regulación de las extracciones.

Varían de acuerdo al

gasto a extraer.

En grandes ríos o grandes

presas se pueden requerir

varias tomas.

Torre tomas Tomas en pozos

OBRAS DE CONTROL DE CRECIENTES O EXCEDENCIAS

Son estructuras que forman parte de la presa cuya función es permitir la salida de los volúmenes de aguaexcedentes a los aprovechamientos.

Aliviaderos o vertederosCompuertas

Aliviaderos o Vertederos

Existen diferentes tipos de vertederos que se clasifican de acuerdo con el espesor de la cresta y con la forma de la

sección de flujo. vertederos de pared delgada, vertederos de pared gruesa.

vertederos rectangulares, trapezoidales, triangulares, circulares, parabólicos, proporcionales.

Un caso particular es el vertedero lateral, el cual se instala en una de las paredes de un canal para derivar

hacia otro canal o para descargar excesos de agua.

El vertedero o aliviadero es una estructura de control hidráulico cuya función es la de presentar un obstáculo al libre flujo del agua,

con el consiguiente represamiento aguas arriba de la estructura, y el aumento de la velocidad aguas abajo

0.10 m

0.25 m

0.35 m

Aquietamiento antes del vertedero

20 Hmax = 2 m

Abatimiento

Cresta del Vertedero

Vertedero de Cresta delgada

Napa

Ventilación

Superficie del Vertedero

Fondo del canal

0.51 m

0.25 m > 2Hmax

0.10 m

OBRAS DE ALMACENAMIENTO

Lago artificial para el almacenamiento de agua durante la estación lluviosa y su distribución en la estación seca.

EMBALSES

Su función generalmente consiste en cubrirlas demandas en tiempos de estiaje o sequía.

PROPÓSITOS DE UN EMBALSE• Abastecimiento Urbano

• Navegación

• Generación de energía

• Riego

• Conservación y uso de la fauna y la flora

PROPÓSITOS DE UN EMBALSE

• Recreación

• Control de inundaciones

COMPONENTES DE UN EMBALSE

Presas

Aliviaderos

Obras tomas

NIVELES CARACTERISTICOS EN UN EMBALSE

Los principales son (en orden creciente):

• Nivel mínimo minimorum: es el nivel mínimo que puede alcanzar el embalse;

coincide con el nivel mínimo de la toma situada en la menor cota.

• Nivel mínimo operacional: es el nivel por debajo del cual las estructuras

asociadas al embalse y la presa no operan u operan en forma inadecuada.

• Nivel medio. Es el nivel que tiene el 50% de permanencia en el lapso del ciclo

de compensación del embalse, que puede ser de un día, para los pequeños

embalses, hasta períodos plurianuales para los grandes embalses. El período

más frecuente es de un año.

• Nivel máximo operacional: al llegarse a este nivel se comienza a verter agua

con el objetivo de mantener el nivel pero sin causar daños aguas abajo.

NIVELES CARACTERISTICOS EN UN EMBALSE

• Nivel del vertedero. Si la presa dispone de un solo vertedero libre, el nivel de la

solera coincide con el nivel máximo operacional. Si el vertedero está equipado

con compuertas, el nivel de la solera es inferior al máximo operacional.

• Nivel máximo normal: al llegarse a este nivel la operación cambia de objetivo y

la prioridad es garantizar la seguridad de la presa. En esta fase pueden ocurrir

daños aguas abajo; sin embargo, se intentará minimizar los mismos.

• Nivel máximo maximorum: en este nivel ya la prioridad absoluta es la

seguridad de la presa, dado que una ruptura sería catastrófica aguas abajo. Se

mantiene el nivel a toda costa; el caudal descargado es igual al caudal que

entra en el embalse.

VASO DE ALMACENAMIENTO

Capacidad de un Embalse

Expresada por el volumen de agua contenida en su vaso de almacenamiento para una altura dada da la presa y de su

aliviadero.

Capacidades volúmenes

característicos de un embalse:

Volumen de crecidas o avenidas.Volumen útil.Volumen muerto o Volumen de azolves.

Volúmenes característicos de un embalse

• Volumen muerto o capacidad de azolves, definido como el volumen

almacenado hasta alcanzar el nivel mínimo minimorum. Es el volumen

que debemos disponer en el vaso para almacenar los sedimentos.

• Volumen útil, el comprendido entre el nivel mínimo minimorum y el

nivel máximo operacional.

• Volumen de laminación, de crecidas o avenidas, es el volumen

comprendido entre el nivel máximo operacional y el nivel máximo

normal. Este volumen, como su nombre lo dice, se utiliza para reducir

el caudal vertido en las avenidas, para limitar los daños aguas abajo.


• El período que tarda en colmarse esta capacidad,

constituye la vida útil del embalse y se estima para

proyectos pequeños en unos 50 años y para los grandes

proyectos para unos 100 años.

Consideraciones para la selección del sitio del embalse

• El vaso natural debe tener una

adecuada capacidad, la que es definida

por la topografía. Se debe buscar

obtener la mayor relación entre agua

almacenada a volumen de presa.

• La geología debe analizarse desde el punto de vista de

la filtración del lecho del embalse estudiando fallas,

contactos y fisuras. Las filtraciones ocasionan no

solamente pérdidas de agua, sino también ascenso del

nivel freático 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 topográfico

natural no es factible para el

almacenamiento. Si resulta económico, se

puede impermeabilizar el vaso.


• La estabilidad de los taludes del embalse

debe ser analizada, puesto que cuando el

embalse está lleno no se presentan serios

problemas, pero éstos surgen al ocurrir

descensos en los niveles del agua y

especialmente si son súbitos.


• Es necesario hacer el avalúo de los

terrenos a inundar. El costo de compra

de los terrenos no debe ser excesivo. El

área del embalse no debe tener en lo

posible vías importantes ni edificaciones

de relocalización costosa.


• La calidad del agua embalsada es importante y

debe ser satisfactoria para el uso proyectado. Los

aportes de agua de la cuenca hidrográfica deben

ser suficientes durante los períodos de lluvia para

llenar el embalse y poder suplir la demanda

durante épocas de sequía; 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, árboles, y otros desechos pueden ser

causa de problemas en el funcionamiento de las obras y en la

explotación del embalse. La hoya hidrográfica debe presentar

pocos síntomas de erosión.


CARACTERÍSTICAS DEL SITIO DEL EMBALSE

Requisitos mínimos:

Sitio de presa: angosto, estable, soporte

de las fundaciones, impermeable, otras.Buena capacidad: grandes volúmenes

almacenados.Cuenca abastecedora con poca

producción de sedimentos.Calidad de las aguas óptima para los

fines propuestos.Bajas pérdidas por infiltración.Con sitios aptos para la colocación

de tomas y vertederos.Sin presencia de zonas deslizables.

VASO DE ALMACENAMIENTO

Capacidad de un Embalse

Expresada por el volumen de agua contenida en su vaso de almacenamiento para una altura dada da la presa y de su

aliviadero.

Calculo de la capacidad:

1) Una vez obtenidos los planos levantados del vaso de almacenamiento.

2) Se fija el sitio de presa.

3) Cota de fondo del río.

4) Con la ayuda de un planímetro se miden las áreas abarcadas por cada curva de nivel.

5) Para obtener el volumen almacenado entre curvas o parcial se calculan las semisumas de las áreas entre curvas y se multiplican por

el intervalo entre cada curva (ΔH).

6) Si se realiza el acumulado del vol. Parcial se obtiene el vol. almacenado por cotas o alturas sobre el fondo del río.

Todos estos cómputos se anotan en un cuadro similar al que se muestra a continuación:

Altura mts

Cotam.s.n.

m

LecturaPlanim.

Constantes ÁreasHas.

Volúmenesparciales

Volúmenesacumulados

Con los datos del cuadro dibujamos las curvas de

capacidades y de áreas, las cuales nos permitirán conocer

gráficamente los volúmenes capaces de ser almacenados

en el sitio y las áreas que serán inundadas para cualquier

altura de la presa.

Selección de mayores capacidades para la misma altura de la presa

Para dibujar estas curvas:

1) Se elige un sistema de coordenadas rectangulares y

sobre el eje de las abscisas, a escala determinada, se

dibujan los volúmenes, a escala determinada,

2) Se dibujan los volúmenes en las ordenadas a partir de la

cota de fondo del río las alturas o cotas, o ambas.

3) Se dibuja también las áreas inundadas, usando sentido

contrario a la curva de volúmenes para evitar

confusiones al usar el gráfico.

CONSTRUCCIÓN DE LA CURVA ÁREA-CAPACIDAD-ELEVACIÓN

AlturaAltura

m.m.

CotaCota

m.s.n.m.m.s.n.m.

ÁreasÁreas

HaHa

Aprom.Aprom.

HaHa

Vol.Vol.

parcialesparciales

Vol. Acum.Vol. Acum.

-- --

elevaciónelevación

área

volumenVol

A


• Volumen muerto o capacidad de azolves, definido como el volumen

almacenado hasta alcanzar el nivel mínimo minimorum. Es el volumen que

debemos disponer en el vaso para almacenar los sedimentos.

• Volumen mínimo de Operación: altura mínima del agua necesaria para el

correcto funcionamiento de toma de agua la que se sitúa por encima de Vm.

• Volumen útil, el comprendido entre el nivel mínimo minimorum y el nivel

máximo operacional.

• Volumen de laminación, de crecidas o avenidas, es el volumen

comprendido entre el nivel máximo operacional y el nivel máximo normal. Este

volumen, como su nombre lo dice, se utiliza para reducir el caudal vertido en

las avenidas, para limitar los daños aguas abajo.

En condiciones normales ocurre oscilación del nivel del agua entre el Nivel normal y el Nivel mínimo de operación.

Volumen total del embalse = volumen muerto (Vm) + volumen min. de operación (VMO) + volumen útil (VU) +

volumen de laminación o crecidas (VC)

Rendimiento del embalse

Es la cantidad de agua que puede proporcionar el

embalse en un intervalo específico de tiempo.

El rendimiento seguro o firme, es la cantidad máxima de agua que

puede garantizarse durante un período crítico de sequía.

El rendimiento secundario es el agua disponible en exceso del

rendimiento seguro durante períodos de escurrimiento altos.

VC

VU

VMO

VM

CURVA ÁREA-CAPACIDAD-ELEVACIÓN

Caudales característicos de un embalse

• Caudal firme. Es el caudal máximo que se puede retirar del embalse en un

período crítico. Si el embalse ha sido dimensionado para compensar los caudales

a lo largo de un año hidrológico, generalmente se considera como período crítico

al año hidrológico en el cual se ha registrado el volumen aportado mínimo. Sin

embargo, existen otras definiciones para el período crítico también aceptadas,

como, por ejemplo, el volumen anual de aporte hídrico superado en el 75% de los

años, que es una condición menos crítica que la anterior.

• Caudal regularizado. Es el caudal que se puede retirar del embalse durante

todo el año hidrológico, asociado a una probabilidad.

Consiste en la determinación del tamaño del almacenamiento incluyendo el volumen muerto, el útil, las pérdidas, volumen de

operación, volumen forzado y el borde libre.

Diseño del embalse

•Situación Normal: prevalece la mayor parte del tiempo.•Situación de exceso de agua: durante las avenidas:

•Atención o prealerta: precipitaciones intensas en la cuenca, nivel

inferior al normal.•Alerta: El nivel supera al normal, descarga o alivio (por vertedero o

descarga de fondo) superior al caudal ecológico pero inferior al caudal

que pudiera causar daños aguas abajo.

Situaciones operacionales de un embalse.

Situaciones operacionales de un embalse.

– Alarma: Descarga de caudales importantes a fin de preservar

la integridad física de la presa. Evacuación de ciertas áreas,

intervención defensa civil.

– Emergencia Aguas abajo: El nivel alcanzo el nivel máximo

operacional por lo que se realiza la proyección de futuras

descargas, aun en volúmenes menores al que ingresa al

embalse para mantener su nivel. Alerta en la población

– Emergencia por la seguridad de la presa: Nivel máximo

maximorun. Peligro para la estructura. Descarga del mismo

caudal que ingresa. Daños aguas abajo.

– Escasez de agua: abastecimiento solo de prioridades en el

uso, algunos usuarios no podrán disponer del recurso

Es la simulación del comportamiento del embalse a

través del tiempo.

Las reglas de operación que se deducen están

afectadas por los datos hidrológicos que son difíciles

de predecir, por lo que la regulación que se establezca

para el embalse debe ser ajustada o variada de

acuerdo con las condiciones reales de funcionamiento

que se presenten.

Operación de los embalses.

Los estudios se pueden dividir en tres tipos:

· Determinar la descarga óptima del embalse teniendo en

cuenta almacenamientos largos o estacionales

(multianuales, anuales, mensuales).

· Hacer la operación del embalse para suplir las

fluctuaciones de la demanda en horas picos (regulación

horaria, diaria, semanal).

· Dar las reglas para la operación del embalse en épocas

de sequía o de precipitaciones extremas.


La operación del embalse se hace para cualquiera de

los siguientes casos:

•Determinar el volumen necesario a embalsar para suplir

la demanda.

•Determinar el consumo máximo que se puede garantizar

si se tiene como limitante el volumen del embalse.

· Optimización del embalse en proyectos multipropósito.


La operación de embalses esta regulada por las siguientes ecuaciones

básicas:

Ecuación de continuidad

DV = Ventra - Vsale

DV = cambio en el almacenamiento durante un período dado (semana, mes).

Ventra = aportes al embalse durante un período dado (semana, mes).

Vsale = caudales de demanda, vertimiento, pérdidas durante un período dado. Las

pérdidas en el embalse pueden ser por evaporación o por filtración.

DV = Vf -Vi

Vf = almacenamiento al final del período

Vi = almacenamiento al inicio del período


Algunas Premisas:

•La operación de embalses se hace para un ciclo (formado por el número de

años para los cuales existen datos hidrológicos, datos de mínimo 20 años).

•Se asume que el caudal que ha ocurrido en el pasado se repite en el futuro.

•Teóricamente se puede construir una presa en cualquier sección de un

curso de agua pero no siempre resulta práctico hacerlo de modo que resulte

segura, económica 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 también se hace necesario la construcción de diques para

aumentar la capacidad de almacenamiento.


Determinación del volumen útil

Para determinar el volumen útil del embalse se consideran los siguientes

criterios:

· Se busca tener el embalse lleno la mayor parte del año.

· La operación del embalse se inicia considerándolo lleno al inicio del ciclo.

· El embalse se considera lleno cuando el volumen de almacenamiento es

cero y desocupado para un volumen igual al máximo valor absoluto.

· Rebose solo se presenta cuando el embalse está lleno y cuando el

volumen que entra al embalse sea mayor que el volumen que sale del

embalse.


Determinación del volumen útil

· Al finalizar la operación del embalse se debe chequear que el

almacenamiento al final de la operación sea igual al almacenamiento al

inicio de la operación. Este implica que se siga con la operación del

embalse hasta que logre el ajuste.

· El volumen útil requerido es el mayor valor absoluto de la operación del

embalse. · El período critico es el número de períodos de tiempo desde

que el embalse está lleno hasta que se desocupa.

· La operación del embalse se puede hacer para períodos semanales,

mensuales, anuales, o multianuales, con la limitación de que los aportes

medios del río al embalse en un período dado deben superar la demanda

media en el mismo período.

Determinación del volumen muerto del embalse

Para el dimensionamiento de embalses, se requiere contar con estimativos

suficientemente precisos del tipo, magnitud y variación a través del tiempo del

transporte de sólidos por las corrientes de agua que llegan al embalse. Esta

información es útil para planear medidas de control de erosión en la cuenca del

embalse y anticipar los efectos de modificaciones en la hoya sobre la producción de

sedimentos. Es frecuente que la información histórica sobre transporte de

sedimentos sea muy deficiente en cuanto a su calidad, representatividad y

duración. En muchos casos no hay datos y la información disponible es la que se

obtiene durante el tiempo de estudio del proyecto. Este problema no es solo de

Colombia pues también ocurre en países desarrollados. La ausencia de

información se traduce en la dificultad para decidir sobre la factibilidad de un

proyecto, especialmente cuando depende de la apreciación correcta del acarreo de

sedimentos al embalse.

Determinación del volumen muerto del embalse

Los factores principales que afectan el transporte de sedimentos a un embalse son:

· Características hidráulicas del cauce.

· Características de los materiales del cauce.

· Factores hidrometeorológicos que afectan el proceso erosivo.

· Factores topográficos, especialmente importantes en zonas de montaña que en

combinación generan crecientes rápidas con alto potencial de arrastre.

· Factores geológicos causantes de problemas, con frecuentes inestabilidades de

los taludes y cañones de los ríos y quebradas. Estas inestabilidades generan la

formación de depósitos de sedimentos poco consolidados que a su vez constituyen

aporte de sedimentos a los cauces.

· Factores erosivos agravados por reforestación.

· Mal manejo de materiales sobrantes de obras de ingeniería civil.

Las gravas finas, arenas, limos y arcillas constituyen el

mayor porcentaje de sedimentos que contribuyen a la

formación del embalse muerto. El mayor porcentaje de

aporte de sedimentos se da cuando se presenta una

creciente en el río por lo que los caudales máximos son los

que se consideran para la determinación del volumen

muerto. Dos formas para calcular el volumen muerto se van

a considerar a continuación, teniendo en cuenta si se tienen

o no información sobre caudal y sedimentos.

OPERACIÓN DE EMBALSES PASOS:

1. Volumen de aporte del río.

2. Determinar el volumen de precipitación y evaporación en el embalse.

3. Calcular el volumen de demanda (urbana, industrial, riego y derecho adquirido).

4. Realizar el balance.

5. Calcular el volumen del río al final del mes.

6. Si el área no es constante se promedian las áreas al principio y al final de mes y se repiten los cálculos. El área se puede conseguir de la curva capacidad-área-elevación conociendo el volumen.

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Tema 2. Obras de Captacion Control y Almacenamiento Parte 2 2010b

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