IV Jornadas de Ingeniería del Agua La precipitación y los procesos erosivos Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015 B.13. Propuesta metodológica para optimización de la gestión del caudal ecológico en diversas minicentrales hidroeléctricas a pie de azud en la Demarcación Hidrográfica del Duero Francisco Javier Caballero Grupo de Investigación en SEguRidad de Presas y Aliviaderos (SERPA) Universidad Politécnica de Madrid (UPM) E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos. C/ Profesor Aranguren s/n. 28040 Madrid, España Jesús Guerrero González Técnicas del Medio Ambiente y del Agua (TECMA S.A.) C/ Rodríguez San Pedro 42. 28015 Madrid, España Sara González Benito Lcda. en Ciencias Ambientales. Master en Ingeniería y Gestión del Agua Rúa Panasco 2 Bajo G. 36350 Nigran, Pontevedra, España Juan Gallardo Sancha Ingeniería Cartográfica GAROA S.L. Paseo de Salvador de Azpiazu, 6, 01008 Vitoria-Gasteiz, España 1. Introducción Los trabajos que se describen en la presente comunicación han tenido como finalidad la obtención de un modelo de gestión óptimo del caudal ecológico a evacuar por parte de los azudes de derivación de una serie de minicentrales hidroeléctricas de diferentes propietarios en la Demarcación Hidrográfica del Duero, respetando siempre los valores y criterios establecidos en el Plan Hidrológico de Cuenca. Esta optimización de la distribución del caudal ecológico fue solicitada para intentar particularizar los caudales “macro” definidos de forma continua y uniforme por la Demarcación Hidrográfica para una serie de tramos más o menos amplios, intentando concretar su configuración en puntos determinados. Para ello se realizó una simulación hidráulica bidimensional y un análisis y evaluación ambiental de resultados de cada una de las infraestructuras evaluadas, que fueron
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Propuesta metodológica para optimización de la … · Resulta evidente que uno de los mayores progresos realizados en los estudios de hidráulica ... modelo idóneo para realizar
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IV Jornadas de Ingeniería del Agua La precipitación y los procesos erosivos Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015
B.13.
Propuesta metodológica para
optimización de la gestión del caudal ecológico en
diversas minicentrales hidroeléctricas a pie de azud en
la Demarcación Hidrográfica del Duero
Francisco Javier Caballero Grupo de Investigación en SEguRidad de Presas y Aliviaderos (SERPA)
Universidad Politécnica de Madrid (UPM)
E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos. C/ Profesor Aranguren s/n. 28040 Madrid, España
Jesús Guerrero González Técnicas del Medio Ambiente y del Agua (TECMA S.A.)
C/ Rodríguez San Pedro 42. 28015 Madrid, España
Sara González Benito Lcda. en Ciencias Ambientales. Master en Ingeniería y Gestión del Agua
Rúa Panasco 2 Bajo G. 36350 Nigran, Pontevedra, España
Juan Gallardo Sancha Ingeniería Cartográfica GAROA S.L.
Paseo de Salvador de Azpiazu, 6, 01008 Vitoria-Gasteiz, España
1. Introducción
Los trabajos que se describen en la presente comunicación han tenido como finalidad la
obtención de un modelo de gestión óptimo del caudal ecológico a evacuar por parte de los
azudes de derivación de una serie de minicentrales hidroeléctricas de diferentes
propietarios en la Demarcación Hidrográfica del Duero, respetando siempre los valores y
criterios establecidos en el Plan Hidrológico de Cuenca.
Esta optimización de la distribución del caudal ecológico fue solicitada para intentar
particularizar los caudales “macro” definidos de forma continua y uniforme por la
Demarcación Hidrográfica para una serie de tramos más o menos amplios, intentando
concretar su configuración en puntos determinados.
Para ello se realizó una simulación hidráulica bidimensional y un análisis y evaluación
ambiental de resultados de cada una de las infraestructuras evaluadas, que fueron
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presentados a la Confederación en la primera mitad del año 2012. Posteriormente,
durante los meses de junio a agosto de 2013 se procedió a realizar una serie de pruebas
de campo (aforos directos en los cauces estudiados, batimetrías y determinación
topográfica de las superficies de inundación), en las que se compararon los resultados
obtenidos en dichas pruebas con las modelaciones hidráulicas realizadas anteriormente.
La comprobación tuvo como objetivo principal valorar la nueva distribución de caudal
ecológico propuesta en los informes del año 2012 asegurando que no se ponía en riesgo
ninguno de los elementos abióticos y bióticos de los distintos ríos analizados para
mantener las condiciones naturales de dichos cauces en los tramos analizados, estando así
en consonancia con lo establecido en la Directiva Marco del Agua (2000/60 CE) y en la
Instrucción de Planificación Hidrológica (Orden ARM 2656/2008) en lo referido a la
protección y mejora de los ecosistemas acuáticos.
2. Datos de partida
2.1 Situación y características principales de las minicentrales estudiadas
Se ha realizado la evaluación de siete (7) minicentrales, todas ellas situadas a pie de azud y
ubicadas en la Demarcación Hidrográfica del Duero, concretamente en las provincias de
Valladolid y Zamora, en los cauces de los ríos Duero y Esla.
Figura 1. Ámbito de actuación de los estudios realizados
Todas las centrales estudiadas disponen de doble turbina, cada una de las cuales puede
trabajar de forma independiente.
Zona de estudio
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Cada turbina presenta un límite operacional del 25% de su capacidad máxima de
turbinación, es decir, al disponer de dos turbinas, cada una de las cuales puede trabajar de
forma independiente, el caudal mínimo para el que podrá trabajar la minicentral será el 25%
de una de las dos máquinas, por debajo del cual todo el caudal circulante no podrá ser
turbinado y será vertido por el azud.
Todas las minicentrales estudiadas se encontraban al comienzo de los trabajos sometidas a
un régimen de caudal ecológico continuo y uniforme, definido por los valores marco
establecidos en el Plan Hidrológico de Cuenca, buscando en los trabajos obtener una
distribución de caudal más coherente con el régimen hidráulico de los cauces en estudio.
2.1 Topografía y modelos digitales del terreno
Tradicionalmente, una cartografía adecuada ha resultado ser un elemento fundamental
para una correcta modelación de la propagación de hidráulica de cualquier avenida en un
cauce. En la actualidad, con los medios de modelación disponibles, la cartografía ha
adquirido aún más protagonismo, hasta el punto de que el mismo modelo con diferentes
bases cartográficas de distinta precisión puede arrojar resultados tan diferentes que
provoquen una variación significativa de la llanura inundable.
Así, se encuentran disponibles de forma libre en las páginas web de infraestructura de
datos espaciales de las distintas Comunidades Autónomas así como en la del el Instituto
Geográfico Nacional (IGN) diferentes modelos cartográficos, entre los que se puede
destacar el modelo digital del terreno (MDT) obtenido a partir de la ortofoto del Plan
Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA) que asegura la existencia un punto de cota
conocida cada 5x5 m2.
Adicionalmente, el IGN dispone de un modelo que asegura la existencia un punto de cota
conocida cada 2x2 m2 que abarca casi toda la España. Este modelo se encuentra sin tratar
pero con un procesado previo y un adecuado apoyo de campo arroja un MDT de elevada
calidad más que suficiente para cualquier estudio de propagación de avenidas.
Los dos modelos descritos han sido empleados en la ejecución de los trabajos de
modelación hidráulica del Sistema Nacional de Cartografía de Zonas Inundables (SNCZI) en
diversas cuencas hidrográficas de este país, con resultados excelentes.
No deben olvidarse además los levantamientos topográficos realizados de forma
específica, y que en el caso de cauces deben ir acompañados de las oportunas batimetrías
realizadas por equipos especializados.
En el caso que nos ocupa los modelos base para los cálculos parten de una topografía
batimétrica del cauce, realizada ex profeso para los trabajos y que ha sido integrada en los
modelos 2x2 m2 o 5x5 m
2 del IGN que se han empleado para completar la zona de valle del
río y definir los límites del cauce. Así, el modelo final generado resulta una combinación de
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todas las tipologías expuestas, empleándose en la simulación un MDT tipo TIN, generado
directamente sobre el software empleado en el modelo hidráulico. Además, se han retocado
en el modelo las cotas de los azudes, reflejadas con especial precisión en los perfiles
longitudinales de los mismos, también tomados en campo para la ocasión.
2.2 Caudales a modelar
Los caudales a emplear en los modelos a realizar han sido proporcionados por los diferentes
propietarios y corroborados por la Confederación Hidrográfica del Duero.
Como ya se ha mencionado, todas las centrales en estudio cuentan con dos turbinas que
pueden funcionar de manera independiente, con capacidades por turbina entre 18 y 52
m3/s. En función de la limitación operacional de las turbinas (25% de su capacidad máxima
de turbinación) expuesta en el punto 2.1., los caudales mínimos modelados para turbinación
han oscilado entre 4,5 y 13 m3/s, atendiendo a los máximos expuestos en el párrafo anterior.
2.3 Rugosidades iniciales adoptadas
El valor adoptado, n=0,035 se considera un valor asumible para las características generales
de la zona en el estudio realizado. Debe tenerse en cuenta que el estudio realiza una
comparativa entre situaciones actuales y posibles situaciones futuras por lo que la adopción
del mismo valor para todas las hipótesis dará lugar a diferencias relativas concordantes con
la adopción de cualquier otro valor de la rugosidad en todas las hipótesis.
Además el numero de Manning (n) empleado se considera un valor medio mínimo, que dará
lugar a calados menores y por lo tanto repercutirá en la obtención de un remanso menor,
que si se adoptase un valor n más elevado por lo que el estudio realizado quedará del lado
de la seguridad en lo que se refiere al objeto del mismo.
3. Metodología para la modelación hidráulica
La modelación realizada ha buscado la comparación de los parámetros de calado y velocidad
entre la situación actual, y diferentes supuestos de situación futura.
Un aspecto que no debe olvidarse, y ha sido tenido muy en cuenta a la hora de elaborar la
metodología de trabajo, es que todas las centrales en estudio son del tipo a pie de azud, por
lo que el efecto del remanso tendrá una cierta importancia, dependiendo
fundamentalmente de la situación y longitud del canal de restitución de la central y de la
diferencia de cotas existente entre el pie del azud y la salida del mencionado canal.
3.1 Modelo hidráulico empleado
Dadas las condiciones expuestas parecía claro a priori, y se demostró durante la elaboración
de los estudios, la conveniencia de emplear alguno de los modelos bidimensionales
existentes a día de hoy en el mercado.
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Resulta evidente que uno de los mayores progresos realizados en los estudios de hidráulica
fluvial para propagación de caudales en cauces se ha producido con la generalización, en el
último lustro, del empleo de los modelos bidimensionales o 2D, que han propiciado la
obtención de zonas inundables más “realistas” que las obtenidas hasta entonces, gracias a la
capacidad de estos nuevos modelos de propagar el flujo de forma multidireccional.
Además, la metodología de cálculo de estos modelos, mediante polígonos sobre un modelo
digital del terreno (MDT) permite obtener resultados en toda la superficie inundable, y no
solo en una sección, pudiendo discernir mejor las diferentes zonas de la llanura definidas en
función de la dupla calado-velocidad.
En los estudios realizados se ha empleado el modelo INFOWORKS RS de Wallingford que
permite el cálculo bidimensional del flujo hidráulico y así como la introducción de varios
caudales de entrada en diferentes zonas del área de cálculo seleccionada, resultando dicho
modelo idóneo para realizar los cálculos requeridos en el presente informe.
El cálculo hidráulico se ha realizado considerando un modelo de distribución del caudal
ecológico continuo a lo largo de toda la longitud de vertido del azud. Así mismo, y como era
el deseo de los propietarios por facilidad de ejecución y de la Confederación por facilidad de
control, en función de los resultados obtenidos los caudales ecológicos propuestos podrán
distribuirse en un futuro de forma puntual mediante la ejecución de escotaduras en el azud
situándose las mismas en puntos estratégicos del vertedero, de manera que el caudal
vertido se distribuya de forma uniforme a lo largo del azud.
3.2 Primera fase de la modelación hidráulica. Comprobación de la
capacidad de remanso.
Atendiendo a lo expuesto con anterioridad en primer lugar se comprobó la capacidad de
remanso de los caudales turbinados en las distintas centrales. Para ello se adoptan para el
cálculo el caudal máximo y mínimo turbinable (coincidentes con el caudal de concesión y el
caudal mínimo turbinable respectivamente).
A partir de los resultados obtenidos se planteaban dos posibilidades en función del si el
remanso llega al pie del azud o no. Las posibilidades eran las siguientes:
A. El remanso NO alcanza el pie del azud. En este caso los calados y velocidades aguas abajo
del azud (en el tramo de cauce previo a la confluencia con el canal) son independientes de
los caudales turbinados. Por lo tanto la situación futura se simplificaba al estudio de una
disminución/aumento progresivo del caudal ecológico.
B. El remanso SÍ alcanza el pie del azud. En este caso se realizaba la comparación entre
situación actual y futura en dos condiciones hidrológicas diferentes: en época de lluvias
considerando caudales elevados (caudal máximo que se puede turbinar) y época de estiaje
(caudal mínimo que se puede turbinar debido a los límites de operación de las máquinas).
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Figura 2. Ejemplo de cálculo hidráulico de la capacidad de remanso en época húmeda (izquierda) y
de estiaje (derecha). En este caso, en ambos cálculos se alcanza el pie del azud, al menos a través del
canal principal de desagüe
3.2 Segunda fase de la modelación hidráulica. Comparación entre
caudales y calados de las diferentes situaciones actuales y futuras, para
las dos hipótesis posibles obtenidas en la primera fase.
En función de los resultados obtenidos en la primera fase de modelación hidráulica se
acometía la segunda fase, que puede esquematizarse de la siguiente forma:
A. Sin remanso:
Situación actual: Caudal ecológico concesional actual vertiendo por el azud.
Situaciones futuras: Disminución/aumento progresivo del caudal ecológico azud.
B. Con remanso:
B1. Época de lluvias o caudales altos:
Situación actual: Caudal máximo turbinable (caudal de concesión) circulando por el canal de
salida de la central hidroeléctrica y caudal ecológico concesional vertiendo por el azud.
Situaciones futura: Caudal máximo turbinable (caudal de concesión) circulando por el canal
de salida de la central y disminución/aumento progresivo del caudal vertido por el azud.
B2. Época de estiaje o caudales bajos:
Situación actual: Caudal mínimo turbinable (mínima capacidad de trabajo de las máquinas
que resulta ser un 25% del caudal máximo de cada turbina) circulando por el canal de salida
de la central hidroeléctrica y caudal ecológico concesional vertiendo por el azud.
Situaciones futura: Caudal mínimo turbinable (mínima capacidad de trabajo de las máquinas
que resulta ser un 25% del caudal máximo de cada turbina) circulando por el canal de salida
de la central hidroeléctrica y disminución/aumento progresivo del caudal ecológico
vertiendo por el azud.
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4. Resultados obtenidos en la modelación hidráulica y