Manejo de Sedimentos en Sistemas Hidroeléctricas
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Manejo de Sedimentos en Sistemas Hidroeléctricas
Colegio de Ingenieros, Lima, Perú 21 de febrero de 2013
Dr. Gregory L. Morris, P.E.
San Juan, Puerto Rico www.gmaeng.com
Represa Romana (Harbaque, Síria). Abandonado más de 1000 años y los sedimentos aún están intactos.
Clases de Impactos Debido a los Sedimentos
IMPACTOS EN LA CASA DE MAQUINAS • Erosión de las compuertas • Erosión de las turbinas • Obstrucción del sistema de enfriamiento IMPACTOS EN EL EMBALSE • Pérdida de capacidad • Obstaculización de la bocatoma • Abrasión de obras hidráulicas • Acumulación en conductos
Los sedimentos normalmente ocasionan la abrasión gradual de los equipos hidromecánicos
• Pero en casos extremos pueden ocasionar daños catastróficos
Abrasión turbina Francis
Abrasión de wicket
Una abrasión catastrófica ocurrió cuando el embalse fue operado a un nivel bajo durante una crecida, lo cual socavó arena desde la zona de delta y lo llevó hacia la bocatoma. La central estuvo fuera de servicio 25 días para reparación. Después se estableció un sistema de monitoreo de la concentración de sedimentos.
1180
1200
1220
1240
1160
1140
1120
1260
Max. Operating Level 1277 m
Delta, coarse sediment, will destroy turbines
Turbidity current deposits. Fine sediments, can pass
thru turbines
100 km upstream of dam 5 15 20
Profile 2010Profile 2006Profile 2004Profile 2002Profile 1997
Min. Operating Level 1190 m
Ejemplo de erosión de elementos en unidades pelton de 125 MW c/u con 800m de carga
Válvula esférica 6 válvulas de aguja Turbinas Pelton
Válvula de aguja en buen estado
Deflector Aguja Asiento del válvula
Desgaste luego de 10,000 horas de operación normal
Patrón de desgaste superficial sobre la aguja
Desgaste en el punto de cierre contra el asiento de la válvula
Desgaste ocasionado en <24 hrs de operación con arena
Desgaste del asiento del válvula en <24 hrs de operación con arena
Válvula esférica
Alternativas: instalar estructura para elevar el nivel de la bocatoma para evitar la entrada de
sedimento
3
Sequence of the advance of delta deposits over the top of fine sediments.
1
2
Fine sediments deposited by turbid density currents
Max. Pool
Min. Pool
La vida útil del embalse se puede prolongar al pasar sedimento fino por las turbinas, para así maximizar el volumen disponible para atrapar
arena y posponer la llegada de arena a la bocatoma. Aumenta el nivel mínimo operacional con el tiempo para atrapar arenas aguas arriba en
el embalse.
3
Sequence of the advance of delta deposits over the top of fine sediments.
1
2
Fine sediments deposited by turbid density currents
Max. Pool
Min. Pool
Factores que influyen la tasa de abrasión
Factores No podemos controlar
Factores SI podemos controlar
Concentración y tamaño de sedimento en el río
Tamaño máximo entregado a las turbinas
Minerología (dureza y angularidad del sedimento)
Dureza superficial (revistida)
Carga hidráulica Deseño de turbinas y otras componentes
Escala Mho: Dureza de acero en turbinas ≈ 4.7 Dureza cuartzo ≈ 7.0
Estrategias para Minimizar el Desgaste Factoes SI podemos controlar
Estrategias de Control
1. Diseño de turbinas y otras componentes
• Seleccionar diseño de turbinas que reduce la abrasión
• Diseñar partes sujeto a desgaste para facilitar su re-emplazo
2. Tamaño máximo de sedimentos que llegan a las turbinas
• Optimizar la configuración de la bocatoma para reducir entrada de sedimento
• Optimizar diseño y operación de desarenador para maximizar eficiencia de remoción (ej. eliminar corte-circuito hidráulica)
• Reducir caudal durante crecidas con alta concentración de sedimento
• En embalses, controlar nivel mínimo operacional
3. Dureza del superficie del metal
• Aplicar revistimiento a la turbina
El tamaño máximo del grano de sedimento es un parámero MUY importante
• Tasa de erosión del metal es proporcional al número de golpes por los granos (la concentración de sedimentos en suspensión)
• Tasa de erosión es proporcional al momento de particula que golpea el metal (masa x velocidad) – La masa de la particulada es proporcional su volumen – Volumen de un esfera = 4/3 π (d/2)3
Erosión se relaciona al CUBO DEL DIAMETERO
La concentración de los granos de mayor tamaño es el factor de mayor importancia en el control de la abrasión del metal.
Bocatomas Filo de Agua
Teoría de un Tanque de Sedimentación 1. La zona de sedimentación tiene flujo paralelo y uniforme.
2. Las zonas de turbulencia en la entrada y salida no son parte de la zona de sedimentación.
Zona Almacenaje de Sedimentos
Zona de Entrada
Zona de Salida
Zona de Sedimentación
Partículo con 100% de remoción bajo condiciones ideales
Compuerta de purga
Compuerta flujo ambiental
Azud y toma
1
2
3
4
5
5 entradas en la bocatoma
Rejilla #1
Mucho flujo
Rejilla #5
Poco flujo
Patrones de Flujo Observados
Salida
A - Tanque con mayor flujo
B - Tanque con menor flujo
Curva en canal de entrada diriga mayor flujo al tanque A que el tanque B
Flujo alta velocidad establece corrientes y recirculación del flujo, reduciendo el tamaño de la zona de sedimentación.
Sobrande del fluijo descargada al río
Mayor flujo Menos flujo
Flujo no es dividida igualmente entre los dos tanques de sedimentación
Canal con curva
División de flujo entre los dos tanques de
sedimentación no es igual
Mayor flujo Menor flujo
Alta turbulencia en desarenador
Recirculación de flujo Flujo concentrato en el lado derecho del tanque
Salida del tanque El exceso del flujo se descarga después del tanque de sedimentación, resultando en una sobrecarga del desarenador y reducción en la eficiencia de remoción.
Material atrapado en el desarenador
Consecuencias de una pobre operación del desarenador: la turbina fue dañada en su primer año de operación
Salida de sedimento por el eje
Sedimento acumulado en el piso de la casa de máquina
Patrón de flujo observado (La Vuelta) Entrada no es centralizada en el tanque
Efecto de una Barrera Permeable en mejorar la distribución del flujo
Pobre Condición Hidráulica (turbulencia y vortices)
Barrera Permeable
Condición Deseada(flujo uniforme y paralela)
Utilización de barrera permeable para mejorar la distribución del flujo en la entrada del tanque.
Requiere pérdida de energía para romper y distribuir el chorro de flujo del canal de entrada
Desarenador Marsyangdi Bajo (Nepal)
Desarenador Marsyangdi Bajo Al ubicar el vertedero en el lado derecho, se distorciona el flujo hacia la
derecha y crea zona muerta en el lado izquierdo.
Zona Muerta
Bocatoma
Hacia Turbinas
Vertedero de Salida - Sumergida
Compuerta de Purga
Flujo está dirigido hacia la derecha del sedimentador debido a la localización de vertedero de salida.
Espacio muerto - volumen inefectivo para el proceso de sedimentación
Alas sumergidas para orientar flujo
Sedimentación de Embalses Embalse Camaré, Venezuela: totalmente sedimentado en 14 años.
Sedimentos y la Sostenibilidad de los Embalses
• Nuestro sociedad es hidráulica – depende de grandes cantidades de agua. Sobre 80% de los usos consumptivos son para producir alimentos, y 20% de la electricidad a nivel mundial proviene de hidro.
• Los embalses son una clase de infraestructura única en cuanto que depende de una combinación favorable de factores de hidrología, topografía, geología y uso de terreno.
• Se puede re-construir la represa, pero no el embalse. Son pocos los sitos para embalses, y no están fabricando más sitios.
• Una vez sedimentado un embalse, es muy deficil y costoso recuperar la capacidad perdida, particularmente para las embalses más grandes.
OBJETIVO: Permitir la operabilidad de la infraestructura de los embalses por un tiempo indefinido mediante el manejo de la sedimentación.
Escorrentía anual Volumen embalse Capacidad:influjo =
Cuenca no-embalsada
Embalse
Cuales embalses tendrán problemas más rápidos? 1. Embalses de menor tamaño hidrológico 2. Cuencas con mayor tasa de erosión y rendimiento
de sedimento
El tamaño hidrológico se representa por la razón Capacidad:Influjo
Curva “Brune”: Indica el porcentaje del sedimento atrapado por un embalse de operación convencional. En general, los embalses son muy eficientes en atrapar sedimentos.
Cuando se experimentan problemas por la sedimentación?
• En general, con la pérdida de 50% de la capacidad el embalse va a tener serios problemas para cumplir su función de su diseño original.
• Muchos embalses experimentan problemas al perder muy poca capacidad si la sedimentación está enfocada en zonas críticas.
– Ejemplo: Corrientes de turbiedad que depositan sedimentos a la zona de la toma.
• Muchos embalses experimentan tasas de sedimentación mayor que lo anticipado en el diseño original.
Estudios Batimétricos: Determinar la Tasa de Sedimentación Determinar patrón de sedimentación (Embalse El Cajón, Honduras)
Curvas de volumen y área: Problema del nivel de precisión de los datos
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Patrones de Sedimentación: • Zonas de deposición
– Material grueso en la delta
– Material fino aguas abajo de la delta
– Varía mucho de un embalse a otro
• Consecuencias – Pérdida de capacidad
– Obstrucción de compuertas y tomas
– Gasto de equipo por turbinar agua con sedimentos (nogami eqn.)
– Problemas aguas abajo del embalse
– Problemas aguas arriba de delta
Patrones de Deposición de Sedimento
Depósito por corrientes de turbiedad (material fino)
Depósito de fondo (material fino)
Depósito en delta (material grueso)
Delta con sedimento fino Emblase Playas, Colombia
Delta con sedimento grueso Embalse Yeso, Chile
ARENA (transportada por crecida)
FINOS
FINOS
Los sedimentos no son uniformes, particularmente en la zona cercana a la delta
Embalse Folsom, California
Depósito de Sedimentos
Finos cercano a la represa
Embalse Sri Rama Sagar, Andhra Pradesh, India
Lago Prieto, Puerto Rico
El sedimento fino llena primero la parte mas profunda de la sección transversal, creando así un lecho llano.
Acumulación de Sedimento
Lecho Sedimentado es horizontal
Elev. vertedero
Fondo original
Embalse Elephant Butte, New Mexico, USA
Corriente de Turbiedad Puede crear un “lago de fango” y depósitos horizontales
Delta
Lago de Fango y un lecho que extiende horizontalmente aguas arriba de la represa
Punto de Sumergencia Cambio en color, confluencia del influjo y la contra-corriente, acumulación de material flotante.
Agua clara
Corriente túrbia
Contra-corriente inducida
Turbiedad aguas debajo de la represa
Agua turbia entrando al embalse
Agua clara superficial dentro del embalse
Represa
Represa Dos Bocas Puerto Rico
Ejemplo de una corriente de turbiedad pasando por un pequeño embalse hidroeléctrico.
Punto de sumergencia de corriente de turbiedad Embalse Playas, Colombia
Material flotante acumulado en punto de sumergencia Embalse Salvajinas, Colombia
Impactos de la Sedimentación: • Aguas Arriba
– Puede depositar sedimentos aguas arriba del nivel del lago
– Aumentar nivel del río: inundaciones, saturación de suelos
• Dentro del Embalse – Pérdida de volumen
– Obstrucción de compuertas y tomas
• Aguas Abajo de la Represa – Gasto de equipo por turbinar agua con sedimentos gruesos
– Falta de sedimento grueso aguas abajo de la represa resulta en socavación del cauce del río, erosión acelerada de riberas
– La descarga de sedimentos puede producir daños económicos y ambientales
Impactos de la Sedimentación
Inundación
Zona de Erosión
Pérdida de Almacenaje
Zona de Acumulación
Soca
vaci
ón
Toma de riego cegado por la acumulación de sedimento en la zona deltaica.
(Embalse Rosarios, Sudan)
Incisión del lecho del río resulta en erosión de ribera acelerada
Socavación de pilastras de puentes aguas debajo de una represa
Año
Des
carg
a Pr
omed
io D
iaria
(m3 /s
)
Impacto del embalse en los flujos aguas abajo: (Reducción en magnitud de crecidas reduce el transporte de sedimento)
El proceso del aporte de sedimentos: • La mitad de los sedimentos transportados en 2 días al año
• Variabilidad en el tiempo – Variación de año en año
– Variación diaria dentro de cada año
– Variación durante la crecida
• Variabilidad en las zonas de origin – 20% de la cuenca contribuya 80% de los sedimentos – Enfocar control en las áreas de la cuenca más vulnerables
Conocimiento de los procesos de aporte permite el desarrollo de estrategias efectivas en manejar los sedimentos
La mayoría de los sedimentos son transportadas por crecidas grandes.
El manejo de sedimentos tiene que enfocar en el manejo de estos eventos.
Des
carg
a (p
ies3
/s)
Turb
idez
(UN
T) Turbiedad alta al principio de un
evento de escorrentía. Producida por la alta disponibilidad de sedimento erosionada de la cuenca al inicio de la lluvia.
La turbiedad está relacionado principalmente a los sedimentos finos derivados por la erosión de suelos por la lluvia.
La concentración de sedimentos es también variable durante una crecida
Cottonwood River, Kansas 754 mi2
1200 UNT @ 800 cfs
300 UNT @ 1600 cfs
Variabilidad en Tiempo
1 mg/L
500 mg/L
Variabilidad de Concentración en el Tiempo: La alta variabilidad en la concentración con el tiempo se refleja en la relación de sólido-líquido.
Río Reventezón 10 a.m. (aguas claras)
Río Reventezón 5 p.m. (aguas túrbias)
El Concepto de “Manejo de Sedimentos” • Lograr un “Balance de Sedimentos”
– Carga de sedimentos entrando el embalse es igualada por la descarga de sedimentos aguas abajo.
– Muy deficil de lograr para todos los tamaños de sedimentos (el componente más deficil de balancear son los sedimentos gruesos).
– Típicamente requiere un tamaño hidrológico pequeño.
• Reducir la Tasa de Pérdida en Capacidad – Prolongar la “vida útil” para preservar los beneficios del diseño original.
– Cambiar operación para lograr uso al largo plazo, a pesar de la sedimentación, con beneficios diferentes ó reducidas.
• Protejer Compnentes Críticas (eg. tomas)
• Minimizar Daños Ambientales
ALTERNATIVAS DE MANEJO: • Hay varios sistemas de clasificación
• Hay una variedad de alternativas
• Varias alternativas pueden ser aplicadas simultáneamente
Sedi
men
t Man
agem
ent S
trat
egie
s
Sediment yield
Reduction Non-
seasonal
Catchment, River US of
reservoir
Afforestation and Vegetation practices
Settling and off-stream storage basins Sabo Area, Changing from sediment check dams
to sediment control dams
Slope and bank protection, River regulation End of
reservoir Sediment check dams
Miwa, Koshibu, Nagashima Beninar
Sediment Routing
Seasonal
End of reservoir Sediment bypass
Asahi, Miwa, Koshibu, Yokoyama,
Egschi, Rempen, Palagnedra
Inside of reservoir
Sediment sluicing
Gated outlets Sabaishigawa, Dshidaira, Unazuki Luzzone, Livigno
Gatless outlets Masudagawa Orden, Ligistbach
Turbidity current venting
Bottom outlet Koshibu, Futase,
Kigawa Luzzone
None-gate & curtain wall Katagiri Glockner-Kaprun
Selective withdraw inlets Yahagi Tourtemagne
Submerged dam, groynes Grimsel
Sediment Removal
Seasonal Inside reservoir
Drawdown flushing flushing outlet Dashidaira, Unazuki Bodendorf, Gebidem,
Verbois
Partial flushing
Sediment scoring gate Senzu, Yasuoka Feistritz, Edling
Sediment scoring pipe Ikawa Annabrucke
Non-seasonal
End of reservoir Mechanically
Dry excavation
Sediment Replenishment
Nunome, Akiba, Futase, Murou Margaritze, Emosson
Recycling for concrete aggregate
Miwa, Yasuoka, Hiraoka Bodendorf, Genissiat
Dredging Miwa, Yanase Margaritze, Sylvenstein, Forni
Inside reservoir Hydraulically
Sediment siphoning Sakuma Luzzone
Sediment redistribution Sakuma Pieve di Cadore
Technique Timing Place Methods and details of sediment control measures
Examples of dams in Japan
Examples of dams in Europe
Sumi & Kantoush
Reduce Sediment Inflow from Upstream Route or Redistribute Sediments Increase or Recover Volume
Reduce Sediment Production
Soil Erosion Control
Streambank Erosion Control
Sediment Trapping Above Reservoir
Onstream Structures
Forests
Pasture
Farms
Construction sites and
Developed Areas
Dispersed structures
Sediment Bypass
Sediment Pass-Through
Turbid Density Currents
Flood
Seasonal
Mechanical Excavation
Dry Excavatio
n Dredging
Hydraulic Excavation
Empty Flushing
Pressure Scouring
Siphon Dredge
Hydraulic Dredge
Air Lift Dredge
Bucket Dredge
Sediment Redistributio
n
Estrategias de Manejo: Clasificados por Técnica
Non- structural measures
Raise the Dam
Flood Bypass
Offstream Reservoirs
Drawdown Routing
Sediment Re-distribution
G. Morris
Reducir el Influjo de Sedimentos
Rastrear Sedimentos: Minimizar Deposición
Remover Sedimentos una vez Depositados
Reducir el Influjo de Sedimentos • Control de erosión en la cuenca
– Trabajando con hasta miles de propiedades
– Trabajando con terrenos abandonados
– Incertendumbres: fuego, seguridad, condiciones económicos
• Construcción de Obras para Atrapar Sedimentos – Embalses aguas arriba
– Trampas de sedimentos
– Miles de charcas agrícolas
Inicio del proceso de erosión por el impacto de gotas de lluvia.
La cobortura vegetal es el factor más importante en el control de erosión.
Movimiento de tierra para la construcción hace el suelo particularmente susceptible a erosión
Erosión por la concentración de flujo (Colombia) Erosión por un sendero
Cárcavas
• Erosión ocasionado por la concentración del flujo
• Empiezan pequeños, y entonces crecen
Patrón Longitudinal de una Cárcava
Zona de erosión al pie de una pared vertical
Zona de transporte del material erosionado
Zona de deposición del material erosionado
Este patón es típica de la gran mayoría de las cárcavas
Crecimiento
Zona de raíces
Cárcavas Los suelos altamente erosionables no requieren de mucho agua para ocasionar la creación de cárcavas.
Zona embalse Tacagua, altiplano de Bolivia
Suelo aluvial superior protegido por raíces.
Suelo aluvial inferior más débil y susceptible a la erosión.
Crecimiento de cárcavas iniciadas por sobrepastoreo y senderos
Sedimentación del cauce del río
Río Aragvi, República de Georgia
Pequeñas obras para el control de cárcavas son costosos y poca efectivas al largo plazo, sin mantenimiento.
La mejor estrategia es establecer vegetación.
Zona Río Arque Cochabamba, Bolivia
Erosión por el lado de la estructura con escape de los sedimentos atrapados.
El objeto de las obras debe ser de permitir estabilización con vegetación.
Rastrear Sedimentos y Minimizar Deposición • Pasar sedimentos alrededor del embalse.
• Pasar sedimentos através del embalse, minimizando deposición.
• Enfocar deposición de sedimentos en zonas de menor impacto. • Remover sedimentos de zonas criticas.
Crecida con sedimentos sigue por el cauce natural
Embalse fuera de cauce
Embalse Fuera de Cauce
Pasar sedimentos por embalses fuera de cauce (Puerto Rico, Taiwan)
• Pasa >90% de los sedimentos suspendidos
• Pasa ~100% de la carga de arrastre
Embalse Fuera de Cauce Río Fajardo, Puerto Rico
Toma del río
Presa Tubería Gravedad
Embalse
CaritePatillasGuajatacaDos BocasGarzasCidraCaonillasLucchettiPrietoYahuecasGuayoLoizaToa VacaLa PlataCerrillosFajardoRio Blanco
1900 1950 2000 2250 2300 23502050 2100 2150 2200 2400 2450 2500 2550 2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900 2950 32003000 3050 3100 3150 3250 3300 3350 3400 3450 3500 3550 3600 3650 3700 3750 3800 3850 3900 3950
Hoy
Embalses fuera de cauce
Años requerídos en perder 50% de la capacidad del embalse, Puerto Rico
Embalses convencionales
Embalse : Carga de arrastre desviado aguas abajo
• Requiere condiciones topográficos apropiados
• Utilizable en ríos de alta pendiente y embalses relativamente cortos
• Transporte de la carga de arrastre ocurre durante eventos frecuentes, porque el túnel o canal tipicamente no cuenta con la capacidad hidráulica suficiente para pasar una crecida grande.
Sedimentos gruesos pasan alredador del embalse por canal o túnel
Pasar sedimentos gruesos alrededor del embalse (Represa Asahi, Japón)
Desvio de la carga de arrastre para mantener el abasto de sedimentos aguas abajo de la represa. Objetivo: preservación ambiental. Asahi dam, Osaka, Japan
Estructura para desviar flujo
Entrada al túnel
Pasar sedimentos por el embalse • Se pasan los sedimentos a través del embalse con un mínimo de
deposición. – Corrientes de turbiedad – Reducción en nivel (vaciado) durnate una crecida – Reducción en nivel (vaciado) durante estación de crecidas
• Descarga de sedimentos por ríos es muy variable en el tiempo – Varia de año en año
– Varia de día dn día
– Varia durante eventos de crecida
• El objetivo es aprovechar de la variabilidad en concentración de sedimentos: almacenar el agua limpia y pasar el agua túrbia.
Pasar Sedimentos por Corriente de Turbiedad Corriente de turbiedad puede pasar sedimentos finos
Delta
Lago de Fango
Punto de Sumergencia Cambio en color, confluencia del influjo y la contra-corriente, acumulación de material flotante.
Agua Clara
Corriente túrbia
Agua túrbia
Nivel del vertedero
Corriente de Turbiedad
Liberación de Corrientes de Turbiedad: A pesar de tener corrientes de turbiedad, de turbinar los sedimentos finos asociados con la corriente de turbiedad, no se desarrolla el patrón de sedimentación de un lecho horizontal cercano a la represa, ya que las aguas turbias están liberadas.
Atrapando Sedimento: Al mantener el nivel de agua alto, la velocidad es bajo y se atrapa el sedimento.
Pasar Sedimento: Velocidad alta minimiza el potencial para deposición de sedimento. Este método no necesariamente puede lograr un balance con los sedimentos gruesos.
Velocidad Alta
Velocidad Baja
Pasar Sedimento através del Embalse Bajar el nivel dentro del embalse durante crecidas para aumentar velocidad y minimizar deposición de sedimentos.
Operación convencional, nivel alto y baja velocidad.
Abre compuerta para minimizar nivel y maximizar velocidad.
Pasar Sedimento por Reducción en Nivel Reducción en nivel durante crecidas • Requiere predicción hidrológica de la inundación
• Limitar flujo durante el vaciado inicial para no aumentar crecida aguas abajo
• Re-llenar embalse al final del evento.
Lago Loíza Puerto Rico
Impacto de Manejar Compuertas en la velocidad del flujo através del embalse durante crecidas.
Mayor Velocidad = Menos Sedimentación
10,000 20,000Distancia Aguas Arriba de la Represa (pies)
Velo
cida
d (p
ies/
seg) 10
5
0
Velocidad de Flujo con un caudal de 10,000 pies3/seg
Compuertas completamente abiertas
Compuertas parcialmente abiertas
Ancho del Embalse
Q
Hours0 24
A. Normal Operation
Volume in Reservoir = 100
Sediment
Volume in Watershed < 10Q
Hours0 24
Q
Hours0 24
A. Normal Operation
Volume in Reservoir = 100
Sediment
Volume in Watershed < 10 Q
Hours0 24
B. Begin Drawdown
Volume in Reservoir = 70
Partial Gate Opening
Volume in Watershed = 30Q
Hours0 24
Q
Hours0 24
B. Begin Drawdown
Volume in Reservoir = 70
Partial Gate Opening
Volume in Watershed = 30
Q
Hours0 24
Gates Fully Open
C. Full Drawdown
Volume in Reservoir = 10Volume in
Watershed > 90Q
Hours0 24
Q
Hours0 24
Gates Fully Open
C. Full Drawdown
Volume in Reservoir = 10Volume in
Watershed > 90 Q
Hours0 24
D. Refill Reservoir
Gates Closed
Volume in Reservoir = 10Volume in
Watershed = 90Q
Hours0 24
Q
Hours0 24
D. Refill Reservoir
Gates Closed
Volume in Reservoir = 10Volume in
Watershed = 90
Secuencia de Operaciones: Pasar una Crecida
Pasando Sedimentos Por Vaciado Prolongado (Embalse Sanmenxia,Río Amarillo, China) Embalse está vaciado cuando empiezan los meses de flujo alto Se cierre a mitad de la estación húmeda para llenar el embalse
Crest =702 m
Sanmenxia Configuración de compuertas de fondo
Compuertas de fondo 12 - 3x2 m Compuertas de fondo
8 - 3x2 m
Bocatomas Convertidas para pasar sedimentos
Túneles
Pasando Sedimentos Durante Crecidas Embalse Sanmenxia, Río Amarillo, China
Compuertas de Fondo
Flujo
Pasando Sedimentos Durante Crecidas Embalse Sanmenxia, Río Amarillo, China
Remoción de Sedimentos: (Remover sedimentos una vez depositados)
Lavado de Sedimentos (“flushing”) • Requiere vaciar el embalse
• Mantiene un volumen limitado
• Impactos ambientales dependen de cada circunstancia
Dragado • No requiere vaciado del embalse
• No sustentable a menos que hay sitio de disposición “permanente”
• Vaciado parcial es inefectivo. Se requiere un vaciado completo para desarrollar un flujo de alta velocidad a lo largo del embalse y através de la compuerta de fondo.
– Gasto del agua para vaciar el embalse
– Ancho del canal de socavación está limitado
– La energía requerída para un lavado efectiva no es siempre disponible • Aprovechar eventos de influjo natural, ó • Liberar agua de un embalse aguas arriba
– Flujo puede ser limitado por la capacidad de las compuertas de fondo
– Impactos • Ecosistemas fluviales y costaneros
• Terceros (tomas de agua, otros embalses, navegación, recreo y turismo, pesca)
• Costo de oportunidad del agua utilizada (valor de un uso alterna, como la producción de energía)
Lavado de Sedimentos Vaciado completo para socavar sedimento
Nivel Embalse Lleno
Ancho del canal pre-embalse.
Nivel de sedimento previo al lavado
Acumulación de sedimento sigue sobre planicie inundable sumergida. No se remueve por el lavado.
Canal de Lavado
Acumulación por corrientes de turbiedad son removidas durante el lavado.
• El ancho del canal dentro del embalse está limitado, aproximadamente, a la dimensión del cauce del río previa a la construcción de la represa.
• Capacidad de transporte de sedimento grueso está limitado por el caudal y duración del flujo durante el lavado de sedimentos.
• Muy efectivo en remover sedimento fino acumulado dentro del canal de lavado durante periodo operacional, pero no se puede remover sedimento depositado sobre la planicie inundable sumergida.
Lavado de Sedimentos (Embalse Cachí, Costa Rica)
Cachí Durante Vaciado
Cachí Durante Vaciado
Sedimentos acumulados sobre la planicie sumergida no son removidas mediante el proceso de lavado
Embalse Cachí, Costa Rica
Canal aguas arriba de la presa, ancho limitado.
Agua de lavado, concentración máxima de ~400,000 mg/l)
Caudal y duración durante el lavado es
insuficiente para transportar mucho de la
carga de arrastre.
Toma para hidro
Socavación de sedimentos
Vaciado Re-llenado del Embalse
Conc. Sedimentos Suependidos aguas abajo.
Nivel de agua en el embalse
Tiempo
Con
cent
raci
ón, N
ivel
Concentración máx. > 100 g/L
Lavado produce concentraciones muy elevados de sedimentos en suspensión aguas abajo de la presa
Balance de Sedimentos, Embalse Sujeto a un Lavado Annual de 3-días de Duración (Embalse cachí, Costa Rica)
Sediment Distribution Tons/year % of total
Sediment through-flow 148,000 18%
Deposited on Terraces 167,000 21%
Bed load trapped in Reservoir 60,000 7%
Turbidity current deposits removed by flushing 432,000 54%
Total 807,000 100%
El lavado generalmente no puede transportar todo el sedimento: • Sedimento grueso sigue acumulando en la zona de delta
• Sedimento fino sigue acumulando sobre planicies inundadas.
28% del influjo de sedimentos queda atrapados
Gebidem, Suiza Embalse hidroelécrico con lavado anual
Se puede mantener capacidad original mediante lavado solamente en embalses estrechos.
Vista aguas arriba de la represa
Massa Gorge Sedimentos depositados resultante al lavado del embalse Gebidem
Gebidem, Suiza Embalse hidroelécrico con lavado anual
Reducción en Nivel en Kali Gandaki, Nepal (6 horas duración)
Yahuecas, Puerto Rico
Excavación manual e hidráulica
Tubería (con estaciones de bombeo adicionales si fuera necesario)
Descarga de sedimento
Dragado Hidráulica – Factores Limitantes: 1. Costo de la operación
2. Donde disponer del material
• Area de disposición
• Río abajo de la represa
4
2
5
3
7
8
9
1
6
10
1112
13
13 14 15
Deposits after dredging
Componentes de un Sistema de Dragado
Draga Hidráulica
Area Disposición
Draga Hidráulica
Cortadora
Bomba adicional
Dragado continuo con descarga al río aguas debajo de la presa: • Minimice problemas ambientales porque nunca descarga una cantidad masiva de sedimentos. • Otro factor favorable es que hay poco sedimentos finos.
Bajo Anchicayá, Colombia
Draga de Sifón, Embalse Valdesia, República Dominicana
Embalse Valdesia, República Dominicana
Descarga de fondo de la draga de Sifón
Análisis de Utilización al Largo Plazo
Embalse Peligre, Haití
Estrategia para los Próximos 100-años Embalse Peligre, Haití
Dominican Republic Haiti
Caribbean Sea
Atlantic Ocean
Irrigation Area
Cuenca Peligre 6480 km2
Zona de riego, Valle del Artibonite
Represa Peligre
Embalse Peligre, Haiti: Hidroeléctrica, suplido de riego, control de inundaciones
Influjo diaria hacia el embalse
Variación en el Nivel del Embalse Resultante de Operaciones Hidroeléctricas
En 2008, luego de 52 años de operación, el embalse había perdida 50% de su volumen original.
Interrogante: Para cuanto tiempo podrá funcionar el central hasta que su operación está imposibilitada por la sedimentación.
Peligre, Haiti, durante vaciado
Peligre, Haiti, durante vaciado Mirando aguas arriba de la presa
Tope 175.55 m
Nivel Normal 172 m
Compuertas de Fondo
Bocatomas
Vertedero El. 167 m
Uno de las problemas en Peligré es que la ubicación de las compuertas de fondo no limpian la zona frente las bocatomas
Secciones Transversales para Estudio Batimétrica
Presa
GPS en canoa de tronco
Trabajo de campo de batimetría para determinar el patrón de sedimentación actual
Acceso realizado a pie, por canoa, y balsa inflable
120
130
140
150
160
170
180
0 5 10 15 20 25 30
Elevation (m
)
Distance Above Dam (km)
19802008
XS-2
3
XS-2
2
XS-2
1
XS-2
0
XS-1
9
XS-1
8
XS-1
7
XS-1
6
XS-1
5 XS
-14
XS-1
3
XS-1
2 XS
-11
XS-1
0
XS-9
XS-8
XS
-7
XS-6
XS-4
XS
-2
XS-1
Perfil de sedimentos
año1980
Perfil de sedimentos año 2008
Pérfiles de Sedimentación
Sedimentos avanzando hacia el
embalse
PRESA
Presa
Depósitos de sedimentos 22 km aguas arriba de la presa (foto tomado durante reducción en nivel, mayo 2008)
La mayor sedimentación ocurre
en las riberas del canal.
La planicie de sedimentos se utiliza para agricultura
durante la reducción annual en nivel.
Depositos de sedimentos 15 km aguas arriba de la presa (foto tomado durante la reducción en nivel, Mayo 2008)
Mucho menos sedimentación a medida que se aleja del canal.
Menos sedimento cercano a la represa (foto durante reducción en nivel, mayo 2008)
Represa
Efecto de floculación de arcilla en modificar el diámetro efectivo de sedimentación de los sólidos suspendidos en el embalse Peligre. Muestra dividida analizada por método de hidrómetro, uno con agua del embalse y otro con defloculante en agua destilada (método normal de laboratoria para el análisis de suelos).
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.0010.010.11
Percen
t Passin
g (%
)
Diameter (mm)
Sand Silt Clay
Muestra analizada con defloculante y agua destilada Muestra
analizada en agua del embalse sin defloculante
0.0
50.0
100.0
150.0
200.0
250.0
300.0
350.0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Stor
age
(Mm³)
Simulation Time (Yr)
Peligre Reservoir Storage Volume Variation (Mm³)
Normal Operation
Sediment Flushing Raise Dam with Normal Operation
Raise dam with Flushing
Cambio en Volumen con el Tiempo: Tasa de sedimentación se reduce según disminuya el volumen.
Tiempo (años)
Volu
men
(Mm
3 )
Potencial de estabilizar la capacidad
Figure 33: Projected variation in trap efficiency with time, per sediment transport simulations.
Dam Raise with Normal Operation Model
Normal Operation Model
Dam Raise with Sediment Flushing Model
Sediment Flushing Model
XS-1
XS-2
XS-3
XS-4
XS-5
XS-6
XS-7
XS-8
XS-9
XS-1
0
XS-1
1
XS-1
2
XS-1
3
XS-1
4
XS-1
5
XS-1
6
XS-1
7 XS
-18
XS-1
9
120
130
140
150
160
170
180
0 5 10 15 20 25 30
Elevation (m)
Distance Above Dam (Km)
Peligre Reservoir Projected Sediment Accumulation2008 Bathymetry 10 Yr 20 Yr 30 Yr 45 Yr 60 Yr 100 Yr
Normal Pool Elevation 172 m
Predicción de Perfiles, Simulación de 100 años (modelo SRH-1D, USBR)
Perfil 2008
Presa
Perfil 2028
Perfil año 2108
Modificación de nivel mínimo operacional: • Enfocar sedimentación más lejos de la bocatoma • Aumentar carga hidráulica para producción de energía
Nivel mínimo operacional actual = 153 m
Nivel mínimo operacional propuesto = 160 m
Gregory L. Morris [email protected]
www.gmaeng.com
PDF del libro de 748 páginas Reservoir Sedimentation Handbook McGraw-Hill Book Co., New York
www.reservoirsedimentation.com
Recurso Técnico - Gratis