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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.
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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.
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ESTRUCTURAS HIDRULICAS. GENERALIDADES M. E. GUEVARA 5
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.
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ESTRUCTURAS HIDRULICAS. GENERALIDADES M. E. GUEVARA 7
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.
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ESTRUCTURAS HIDRULICAS. GENERALIDADES M. E. GUEVARA 9
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:
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ESTRUCTURAS HIDRULICAS. GENERALIDADES M. E. GUEVARA 11
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
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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
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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.
-
16
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.
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. GENERALIDADES M. E. GUEVARA 17
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.
-
18
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.
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 3
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
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 6
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.
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 7
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
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 8
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
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 9
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
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 12
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.
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 13
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 14
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.
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 18
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
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 19
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.
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 20
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.
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 21
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:
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 24
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
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 25
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
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 28
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.
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 29
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
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 30
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.
-
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E. GUEVARA 31
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
-
PRESAS M. E. Guevara A. 2
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)
-
PRESAS M. E. Guevara A. 3
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