República Bolivariana de Venezuela

Universidad del Zulia

Facultad de Ingeniería

Escuela de Civil

Dpto. de Hidráulica

Obras Hidráulicas

DISEÑO DE EMBALSE DEL RÍO LOS GUAYOS

Elaborado por:

Luque, Juan Luis C.I.: 20.071.659

Marín, Carlos E. C.I.: 20.578.612

Ordoñez, María L. C.I.: 20.843.277

Paz, Stefany. C.I.: 17.953.478

Prof.: Antonio Toyo

Maracaibo, Diciembre 2012

INTRODUCCIÓN

Una presa se puede definir como una estructura hidráulica que se construye

con la finalidad de crear un embalse para regular los escurrimientos de un río o

bien, con el propósito de desviar sus aguas fuera de su cauce natural.

Usualmente, éstas se construyen a través de los valles por donde corren los ríos y

el área por ellas ocupada recibe el nombre de sitio de presa.

El objetivo de la ingeniería hidráulica es fijar ciertas dimensiones del proyecto

(en nuestro caso, altura de la presa); sin embargo, para alcanzar ese objetivo se

requiere frecuentemente de un proceso largo y complejo que consiste no

únicamente en la aplicación de técnicas, criterios, normas y cálculos hidráulicos, o

de las otras ramas de la ingeniería civil, sino que conlleva consideraciones de

diversa índole, dentro de un marco conceptual de referencia más amplio,

denominado planificación del uso de los recursos hidráulicos.

En el siguiente informe se verán reflejados todos esos cálculos mencionados

anteriormente, tales como la realización de una curva masa con el volumen

acumulado por años de nuestra cuenca, también la presentación de su rama

húmeda, de donde se obtendrá el valor de gasto que presenta la misma.

Finalmente, y a través de ciertos datos de estaciones climatológicas, un balance

hídrico que proveerá la información necesaria para poder realizar el movimiento de

embalse que nos definirá las dimensiones de nuestra presa.

1. CURVA MASA.

La curva masa, llamada también curva de volúmenes acumulados, es una

curva que se utiliza en el estudio de regularización de los ríos por medio de

embalses. Proporciona el volumen acumulado que ha escurrido en una estación

en función del tiempo, a partir de un origen arbitrario. En la siguiente tabla, se ven

reflejados los valores utilizados para la elaboración de la curva masa del Río Los

Guayos:

Año Vol. (m³) Año Vol. (m³)51-52 18,044 57-59 98,74452-53 28,376 58-59 116,6453-54 37,28 59-60 122,60454-55 63,711 60-61 134,41155-56 80,481 61-62 139,65556-57 92,988    

Dado que esta curva representa la variación de los volúmenes acumulados,

siempre será una creciente. Para la curva masa obtenida, en su mayor parte se

presenta una rama húmeda, mientras que la rama seca prácticamente es

despreciable. En vista de esto para el volumen hídrico (Vh) solo se considera la

rama húmeda, obteniéndose como valor un volumen de 18,20x106m3. En la tabla

anexa se muestran los volúmenes para los tres años más húmedos de dicha

rama, los cuales corresponden a los años de 1955,1956 y 1957.

Meses Vol. (54-55) Vol. (55-56) Vol. (56-57)Abr. 37,652 64,078 80,623May. 38,474 64,411 80,903Jun. 39,971 65,386 81,353Jul. 43,145 66,412 83,057

Ago. 49,161 68,859 86,225Sep. 54,593 71,43 88,763Oct. 59,442 74,845 90,702Nov. 61,78 77,591 91,994Dic. 62,857 78,948 92,605Ene. 63,292 79,844 92,9Feb. 63,546 80,25 92,979Mar. 63,711 80,481 92,988

2. CAUDAL GRÁFICO Y MATEMÁTICO.

Para el cálculo del caudal por el método gráfico, este se obtiene con la

pendiente de la recta que representa el volumen del caudal medio a través de la

curva de masa.

Por su parte el caudal matemático se obtiene mediante la utilización de la

fórmula Qmat=Vol. acum(años)nº de años

, como se muestra a continuación.

Qmat=Vol. acum(años)nº de años

=139,655 x106m ³

11 años=12,696 x 106 m

3

años≅ 0,4026 m

3

seg

Qgraf=V 2−V 1t 2−t 1

=(114,24−25,2 ) x 106m ³

(1960−1953 )años=12,72x 106 m

3

años≅ 0,4033 m

3

seg

Error=Qgraf−QmatQmat

=(0,4033−0,4026) m

3

seg

0,4026m3

seg

x100=0,17%

3. BANLANCE HÍDRICO.

Es el equilibrio entre todos los recursos hídricos que ingresan al sistema y los

que salen del mismo, en un intervalo de tiempo determinado. La Ecuación de

Continuidad se basa en que la diferencia que se produce entre las entradas y las

salidas de agua se traduce en el agua que queda almacenada.

Entradas - Salidas = Variación del Almacenamiento

A continuación se muestra el balance hídrico realizado para el año de 1956,

considerando como reserva útil un valor de 85mm. La hipótesis inicial fue de una

reserva útil iguala cero para el mes de febrero.

MesP(neta)

mmEvap.mm

ETPmm

P – ETPmm

ETRmm

ΔSmm

RUmm

Exced.mm

Déficitmm

RR106m3

Ene. 76 102,6 82,08 -6,08 76 0 0 0 6,08 0,008Feb. 12 110,2 88,16 -76,16 12 0 0 0 76,16 0,095Mar. 72 133,1 106,48 -34,48 72 0 0 0 34,48 0,043Abr. 128 164,0 131,20 -3,20 128 0 0 0 3,20 0,004May. 105 145,1 116,08 -11,08 105 0 0 0 11,08 0,014Jun. 91 138,1 110,48 -19,48 91 0 0 0 19,48 0,024Jul. 39 133,5 106,80 -67,80 39 0 0 0 67,8 0,085

Ago. 144 127,1 101,68 42,32 101,68 42,32 42,32 0 0 0,000Sep. 90 136,8 109,44 -19,44 109,44 -19,44 22,88 0 0 0,000Oct. 140 133,7 106,96 33,04 106,96 33,04 55,92 0 0 0,000Nov. 64 106,7 85,36 -21,36 85,36 -21,36 34,56 0 0 0,000Dic. 29 89,3 71,44 -42,44 63,56 -34,56 0 0 7,88 0,010

El Requerimiento de Riego fue calculado utilizándola siguiente ecuación:

RR=Déficit ∙ AE

Donde:

A: es el área de riego, la cual fue asumida de 100 has como consideración de

diseño.

E: eficiencia de riego, cuyo valor fue considerado como 0,80.

4. CAPACIDAD DE EMBALSE.

La capacidad del embalse (Vt) está definida por todo el volumen, tanto de agua

como de sedimentos, que ocupará el embalse en la topografía de la zona. Su valor

se estima de la siguiente manera:

Vt=Vm+Vu+Vcrecida

De donde:

Vm: Volumen muerto, aquel que no estará ocupado por el agua. Se incluye en él el

volumen que ocupan los sedimentos.

Vu: Volumen útil, aquel que corresponde al volumen de agua que suplirá la

demanda.

Vcrecida: Volumen de crecida, representa el volumen que, en períodos de crecida,

sobrepasa el nivel de alivio del embalse.

Para obtener los volúmenes de agua que ocupan cada una de las áreas

estimadas, se considera que la primera sección transversal de estos volúmenes

del embalse tiene forma triangular y el resto forma trapezoidal, con una altura que

corresponde a la diferencia entre curvas de nivel. Esto es:

Vi=Ai+A i+12

∙ h

Con la ecuación anterior se determinó los volúmenes del embalse desde la

curva de nivel 104 hasta la curva de nivel 156, obteniéndose los valores

registrados en la siguiente tabla.

Nivel(m) Área Parcial (Km²) Área Acum (Km²) Capacidad Acum(106m3)99 0 0 0104 0,222196 0,222196 0,222196109 0,754632 0,976828 2,997560114 1,586837 2,563665 8,851233119 2,215491 4,779156 18,357053125 3,023892 7,803048 37,746612131 2,822637 10,625685 55,286199136 2,803138 13,428823 60,136270141 2,872194 16,301017 74,324600146 4,267472 20,568489 92,173765151 4,709603 25,278092 114,616453156 7,725484 33,003576 145,704170

El volumen muerto puede ser estimado de la siguiente manera:

Vm=PD∙Vts

De donde:

PD: Período de diseño, el cual será considerado de 100 años.

Vts : Volumen total de sedimentos.

El volumen total de sedimentos (Vts) se obtiene como la suma del volumen de

sedimentos suspendidos (Vss), cuyo valor se asumirá de 80x103m3, mas el

volumen de sedimentos de acarreo (Vsacarreo), cuyo valor se estima como el 20% de

los sedimentos suspendidos. Esto es:

Vts=Vss+Vsacarreo=1,20∙Vss=1,20 ∙80x 103m3=0,096 x103m3

El valor del volumen muerto es:

Vm=PD∙Vts=100 ∙0,096x 103m3=9,60 x103m3

Con este valor obtenido se puede determinar el nivel del agua al que se

encuentra el volumen muerto del embalse. Esto se logra entrando, con dicho

volumen, a la curva Área-Capacidad-Elevación. Así se tiene que el nivel es de

114,50 msnm.

El volumen de crecida (Vcrecida), se estima para una altura de 1,5m. Este

volumen se obtiene entrando, con la altura de crecida, en la Curva Área-

Capacidad-Elevación, obteniéndose como valor un volumen de 10,704 x 106m3.

El volumen útil (Vu), se obtiene por la diferencia entre la capacidad total del

embalse (Vt) y el volumen muerto y de crecida. La capacidad total del embalse se

estima como el volumen máximo obtenido en la curva Área-Capacidad-Elevación.

Dicho valor corresponde a 145,704x106m3.

El valor de volumen útil es:

Vu=Vt−Vcrecida−Vm

Vu=145,704 x 106m3−10,704 x106m3−9,60x 106m3=125,40 x106m3

Debido a que el volumen útil es mucho mayor al volumen hídrico obtenido por la

curva de masa, se estaría sobrediseñando la presa. Por tal motivo para determinar

la capacidad total del embalse, se considerará el volumen útil igual al volumen

hídrico. Esto es:

Vu=Vh=18,20 x 106m3

De esta forma la capacidad total del embalse es:

Vt=Vu+Vm+Vcrecida

Vt=18,20 x106m3+9,60 x106m3+10,704 x106m3=38,504 x 106m3

Con este volumen obtenido se realizará el movimiento del embalse, dando lugar

a una presa de 26,25m de altura y 1561,42 m de longitud. La altura de la presa es

determinada entrando con el volumen de 38,504 x 106m3 en la curva Área-

Capacidad-Elevación. En la figura que se muestra a continuación se observa el

espejo de agua del embalse entre las curvas de nivel 104 y 125.

El cálculo de las áreas se realizó mediante dos maneras: utilizando el software

profesional AutoCad, y por el método de las pesadas el cual consiste en hallar el

área de una figura plana, en este caso el área entre curvas de nivel, utilizando las

figuras obtenidas del plano y pesándolas. A su vez mediante la obtención del peso

de un cuadro de 20cmx20cm del mismo material usado para el área entre las

curvas de nivel (cartón) que arrojó un peso de 0,48g, utilizando proporciones se

obtiene un valor de área aproximado. En la siguiente tabla se muestran las áreas

obtenidas.

5. MOVIMIENTO DE EMBALSE.

El movimiento de embalse permite determinar la variación de los volúmenes de

agua durante los meses en que se realiza el estudio. Estos valores dependerán

del aporte del río y régimen de las precipitaciones, así como también de las

demandas de agua por riego y aprovechamiento urbano. Para dicho cálculo se

requiere de la estimación de áreas promedio que permitan definir el volumen final

del embalse para cada mes. A continuación se muestra el movimiento de embalse

realizado para el año de1956.

Nivel(m)Área Parcial

(AUTOCAD) (Km²)

Área Parcial

(PESADAS) (Km²)

99 0 0104 0,222196 0,213109 0,754632 0,724114 1,586837 1,502119 2,215491 2,195125 3,023892 3,157131 2,822637 2,639136 2,803138 2,774141 2,872194 2,901146 4,267472 4,157151 4,709603 4,802156 7,725484 7,698

CONCLUSIÓN

Una vez realizados todos los cálculos correspondientes al diseño del embalse,

se obtuvieron valores de caudales gráfico y matemático de 0,4033m3

seg y 0,4026

m3

seg

respectivamente, arrojando un error entre sí de 0,17%, lo cual representa un valor

aceptable. Esto significa que el caudal medio obtenido gráficamente está muy

cercano al caudal matemático.

Realizado el Balance Hídrico se puede observar que los valores de

precipitación son considerablemente inferiores a los de evapotranspiración por lo

que es evidente que en varios meses del año la reserva útil del suelo, donde

estará ubicado el embalse, está totalmente seca generándose un déficit de agua

durante casi todo el año.

Al tener presente el volumen total del embalse aportado por la topografía, cuyo

valor fue de 145,704 ∙106m3, se obtuvo un volumen útil de 125,40 x106m3. Este valor

es mucho mayor al volumen hídrico obtenido por la curva masa, el cual fue de

18,20 ∙106m3. Por lo tanto, teniendo presente este aspecto, la presa estaría sobre

diseñada pues tiene más volumen de agua de lo que se necesita, por tal motivo se

consideró el volumen útil igual al volumen hídrico, obteniéndose así una capacidad

de 38,504 x 106m3 para estimar el movimiento del embalse.

En cuanto al movimiento de embalse, los resultados obtenidos indican, que la

demanda es mayor a la cantidad de agua disponible en el mismo, debido a que el

aporte del río y la cuantía de las precipitaciones son inferiores a la evaporación, la

demanda urbana y el derecho de agua, cuyos valores son más elevados. Esto

ocasiona que el volumen de agua de cada mes disminuya gradualmente, siendo el

principal motivo la existencia de una elevada demanda urbana y derecho de agua.

Por tal motivo, en todos los meses, no existe un volumen de agua que deba ser

descargado por alguna estructura de alivio.

Debido a que el nivel del agua dentro del embalse no debe alcanzar el nivel del

volumen muerto, pues ocasionaría daños en la obra de captación, se hizo

necesario reducir a un 40% la demanda urbana y el derecho de agua a partir del

mes de mayo. Durante los tres siguientes meses el nivel del agua siguió

disminuyendo, pero esta tendencia fue revertida en los tres últimos meses del año,

obteniéndose así un nivel de agua de 116,50m para el mes de octubre. Esto

permite dejar una altura de 2m por encima del nivel de agua del volumen muerto,

cuyo valor es de 114,5 msnm, garantizándose de esta manera, que las tuberías de

succión de la obra de captación estén sumergidas a una profundidad adecuada.

Es probable que el embalse si tenga capacidad para satisfacer únicamente,

durante todo el año, el requerimiento de riego, pues sus valores son pequeños y

pueden ser compensados con el aporte del río y las precipitaciones de la zona. Si

el proyecto requiere satisfacer en su totalidad la demanda exigida, entonces será

necesario ubicar la presa en otro río donde los caudales aportados sean lo

suficientemente grandes para que el embalse tenga un nivel de agua por encima

del nivel del volumen muerto tras satisfacer mensualmente dichas demandas.

Finalmente, teniendo presente todos los resultados, el embalse calculado

durante el año de estudio, logra satisfacer completamente las demandas durante

seis meses continuos, mientras que para el resto del año satisface un 60% de la

demanda urbana y el derecho de agua, incluyendo además el requerimiento de

riego. De esta forma la presa tendrá una altura de 26,25m y una longitud de

1561,42 m. Sin embrago resulta necesario considerar el movimiento del embalse

durante otro año, para verificar si sigue la misma tendencia de disminuir su

volumen cada mes o si por el contrario el régimen de precipitaciones y las

aportaciones de caudal permiten recuperar los volúmenes de agua demandados.