EMBALSES

FACULTAD DE INGENIERIAE.A.P. D E I N G E N I E R A C I V I L

REGULACION DE DESCARGASFORMULA 004 : INSTALACIONES ELECTRICASCURSO

:HIDROLOGIADOCENTE

:ING. PATRICIA MEZA BLACIDOINTEGRANTES: ESPINOZA JARA, Anghela Stefany. CARBAJAL MORALES, Elizabeth. ZUIGA BRICEO, Sandra Luz.FECHA

:16 de Junio del 2010HUANUCO

REGULACION DE DESCARGAS

INTRODUCCINLos embalses de agua se proyectan y construyen con fines de almacenar grandes volmenes de este valioso recurso hdrico en pocas estacionales de lluvias, en las que el consumo de agua es inferior a la disponibilidad, para posteriormente emplear estos volmenes almacenados en pocas de estiaje. En el Per los embalses de agua se construyen y emplean esencialmente para los siguientes casos: Riego de terrenos con fines agrcolas.

Afianzamiento hdrico de centrales hidroelctricas Uso en agua potable USO MixtoPara poder lograr estos embalses artificiales se construyen presas de tierra o concreto, normalmente en el curso de un ro o quebrada o sobre elevando los bordes de una laguna.

Dado el enorme valor que tiene el recurso hdrico almacenado, el manejo de las aguas debe poder ser adecuadamente controlado, por tal razn en el proyecto de un embalse de agua deben incluirse estructuras que permitan lo siguiente:

1. Efectuar una descarga de agua de servicio

2. Descargar los slidos sedimentados que se acumulen en el fondo del embalse.

Descargar los volmenes de agua que excedan la capacidad de almacenamiento Las dos primeras funciones indicadas se logran mediante conductos de descarga independientes o uno solo que cumpla ambas funciones y que requieren una operacin controlada.

La tercera funcin se logra mediante estructuras de alivio (aliviaderos) por rebose con su correspondiente conducto de descarga, que no requieren control.

El control de las estructuras de descarga slo se puede lograr mediante equipos hidromecnicos, los que a su vez requieren para su funcionamiento de algunos servicios auxiliares. Aunque del monto total para la construccin de una presa, la parte correspondiente al equipamiento hidromecnico rara vez supera el 10%, la importancia de este equipamiento para lograr un control y manejo adecuado de las aguas embalsadas es crucial.

A continuacin presentaremos una breve descripcin del equipamiento hidromecnico y auxiliar ms empleado en la construccin de presas de tierra, as como algunos criterios para su seleccinEMBALSES

Un embalse o represa es una acumulacin artificial de agua que tiene como particularidad poder ser parcial y/o totalmente vaciado por gravedad o por aspiracin.

Segn su origen se clasifican en naturales o artificiales. Un embalse de origen natural (como un valle inundado) se lo puede clasificar de acuerdo con su tamao, su profundidad, su localizacin geogrfica como: Lago Charca Laguna Estanque Si es de origen artificial puede ser cavado en el suelo (por ejemplo, en las gravas), o ser consecuencias de una represa en tierra (estanque de piscicultura, por ejemplo), de piedras y de hormign (por ejemplo, las grandes represas).

Los embalses son estructuras de construccin de mucha utilidad, ya que son usados en campos como:

En Riego; usos domsticos e industriales, obtenindose como beneficio; Incremento de la produccin agropecuaria. Suministro de agua para uso de las poblaciones y de las industrias.

En control de inundaciones; Prevencin de daos causados por desbordamiento durante la creciente, en defensa de las poblaciones y reas cultivadas o industriales.

Generacin de Energa; proteccin y suministro de energa para usos domsticos e industriales.

Navegacin; facilidades de transporte por va fluvial, permitiendo la navegacin entre poblaciones.

Control de sedimentos; pequeos embalses para control de sedimentos a otros embalses o a corrientes de agua. Control de erosin.

Recreacin; aumento de bienestar de la poblacin.

Mejoramiento de la piscicultura para usos industriales. Mejoramiento de la ecologa vegetal y animal.

Figura 1.1. Ilustracin de un embalse

La Figura ilustra sobre la funcin reguladora de un embalse.Estructuras que conforman los embalses:Todo embalse consta de las siguientes estructuras bsicas: la presa, el aliviadero y las obras de toma.

La presa, dique o represa, es la estructura de retencin de las aguas y resiste un empuje. Debe ser por lo tanto, impermeable y estable, conjuntamente con su fundacin y sus estribos.

El aliviadero o estructura de alivio o descarga de los excedentes que llegan al embalse, los cuales no se desean almacenar. Sus caractersticas ms importante es la de evacuar con facilidad las mximas crecientes que llegan al vaso de almacenamiento. Su insuficiencia provoca el desborde del agua por encima de la cresta de la presa y el posible colapso de esta estructura si se trata de una presa de tierra o enrocado.

Las obras de toma son un conjunto de estructuras formado por una estructura de entrada o toma, un tnel o conducto a travs de un estribo o de la presa y una estructura de salida. Este conjunto permite tomar las aguas del embalse y pasarlas al canal principal. Debe tener suficiente capacidad para descargar las aguas abastecer a la zona de riego con el gasto necesario, de acuerdo a los requerimientos de los suelos para niveles mnimos del embalse.

En algunos embalses se construyen diques o presas adicionales para el cierre de alguna depresin en la divisoria de aguas del vaso de almacenamiento. Algunos de estos diques se disean como diques fusibles, es decir, que pueden destruirse con el paso de las aguas sobre los mismos, aumentando as la seguridad de la presa principal.

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

Figura 1.2. Capacidad reguladora de los embalses.

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, ojala 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.

* 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 rea-elevacin.

Indica el volumen almacenado correspondiente a cada elevacin.

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:

= 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

msnm: metros sobre el nivel del marHa: hectreas

Mm3: millones de metros cbicos

V V = volumen acumulado correspondiente a cada nivel

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.

Figura 1.4. Representacin de los niveles caractersticos de un embalse.

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.

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.

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.

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.

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.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.

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.

Eutrofizacin. 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 agros ecosistemas.

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 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.

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.

El perodo crtico 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

Figura 1.8. Grfico de aportes y demandas.

La operacin del embalse se resume en las siguientes tablas.

Tabla 1.4. Operacin del embalse.

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.

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.

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

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

b1= densidad bulk inicial [kg/m3]

= coeficiente de consolidacin

Lane & Koelzer (1953) dan los siguientes valores para el clculo de los anteriores parmetros.

Tabla 1.6. Valores de b1 y

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 siendo la vida til de la obra: por ejemplo 50 aos y adems se cuenta con la siguiente informacin hidrolgica:

Concentraciones medias de sedimentos en suspensin (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.

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 log 50

bT = 1500.0 [kg/m3]

Limo bT 1050 90 log 50

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.

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

Media mensual del caudal mximo en el ao Q = 6.65 m3/s

Arena:

Limo

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:

Tabla 1.8. Prdidas por infiltracin en el embalse.

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:

Figura 1.10. Distribucin del agua en un embalse

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.

El oleaje causado por el viento se calcula por medio de frmulas empricas de las cuales dos ejemplos son:

Formula de Diakon

.

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

ho = altura de la ola [m]

V = velocidad del viento [km/h]

F = fetch [km]

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 d 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.

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

dS / d t= I (t) -Q(t) (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 Dt.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.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/Dt + 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).

Figura 3. Desarrollo de la func. Almacenam.-caudal de salida para el trnsito de crecientes.El valor de Dt 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 2S / Dt + Q, 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).

Tabla 1. Ecuaciones de caudal para vertederos.