By Presas y embalses gy DVDQRS 03, 2010 25 pagcs CAPITULO II Presas y Embalses 1. Introducción Cualquiera que sea la capacidad de un embalse o el uso final del agua, su función principal es estabilizar el escurrimiento del agua, ya sea regulando un escurrimiento variable en una corriente natural o mediante la satisfacción de una demanda variable para los consumidores finales. Entre los diferentes usos y objetivos que cumplen los embalses son: Cuadro No 11. PACE 1 or2s to View nut*ge Propósitos Incremento de la producción agropecuaria Riego Usos domésticos Suministro de agua para uso de las Industriales poblaciones. Control de inundaciones prevención de daños causados por desbordamiento durante la creciente. Generación de energía Protección y suministro de energía para usos domésticos e industriales. Navegación Facilidades de transporte por vía fluvial Control de sedimentos Embalses pequeños para control de sedimentos a otros embalses. Recreación Aumento del bienestar de la población. vaso de almacenamiento.
Para ello, una vez que se fija el sitio de la presa y la cota de fondo del río, se mide o calcula el área abarcada por cada una de las curvas de nivel. Todos estos álculos se pueden resumir en un cuadro como el siguiente: Cuadro No 11. 2 Elevación Altura Area Volumen Volumen msnm m ma parcial Acumulado El hl Al VI VI E2 h2 A2 V2 Vl+V2 Con los datos anteriores se pueden dibujar las cuwas de capacidades y de áreas, las cuales permiten conocer gráficamente los volúmenes posibles de ser almacenados en el sitio y las áreas que serán inundadas para cualquier altura de presa.
Estas curvas permiten seleccionar entre varias alternativas. La forma general de estas curvas es la siguiente: Area c Volumen 2 OF as Los cálculos de los volúme dibujo de las curvas a vida útil del embalse y se estima para proyectos pequeños en unos 50 años y para los grandes proyectos en unos 100 años. Sin embargo este período deberá calcularse. 2. 2. 2 Volumen útil Es el necesario para suplir las demandas y las pérdidas de agua durante un periodo determinado de funcionamiento del embalse.
Debe ser tal magnitud que garantice, dentro de un período hidrológico escogido, la demanda requerida. Si el sewicio previsto es por ejemplo un abastecimiento a una población se utilizará en general solo una parte, a veces reducida de la aportación anual del río, pero por lo tanto el estudio tendrá ue orientarse al dimensionamiento del embalse mínimo y del régimen de explotación que permite garantizar la satisfacción de la demanda con una probabilidad mínima prefijada. A esta probabilidad es a la que suele llamarse «garant[a».
Todo lo anterior nos lleva a la necesidad de realizar un estudio de regulación o de operación del embalse. 2. 2. 3 Alturas características en el embalse Cada uno de los volúmenes anteriores corresponde a una altura determinada en el embalse, así al volumen de azolves corresponde una altura hl, llamada de aguas muertas o de nivel de aguas muertas. Será la altura que alcanzarán los sedimentos n el vaso de almacenamiento durante la vida útil del embalse, la cual fijará el nivel más bajo donde quedarán colocadas las compuertas en la obra de toma.
Por encima de esta altura quedará la altura útil la cual determina el nivel de aguas normales, NAMO, o sea la altura a la cual quedaría el aliviadero, si este no tiene compuertas. as De la misma manera, por e nivel se dejará la aliviadero, si este no tiene compuertas. De la misma manera, por encima de este nivel se dejará la capacidad para control de crecientes, cuya altura cas’ siempre queda fija por las compuertas del aliviadero. El nivel mínimo e operación es el nivel más bajo para el cual el azolve permite suministrar el gasto máximo exigido por la demanda. . 4 Determinación de la capacidad muerta 2. 4. 1 Sedimentación en los embalses El conocimiento del proceso de sedimentación de los embalses es de gran importancia si se considera su significación económica. Maddock (1969) ha reportado que en Estados Unidos, en promedio, se tienen pérdidas anuales por sedimentación en embalses de 50 millones de dólares. En un cauce natural que transporta un caudal unitario «q», tiene cierta capacidad de transporte qst.
Conforme nos acercamos al embalse, el flujo xperimenta una disminución de velocidad y la capacidad de transporte de sedimento disminuye, q’st. La diferencia entre las cargas de sedimento deberá depositarse: ( qst = qst – q’st Es obvio que este proceso de deposición afectará la parte más gruesa del sedimento primero y la parte más fina posteriormente. El material grueso formará deltas al inicio del embalse, el sedimento fino formará el nuevo lecho, llegando a ocupar todo este.
Los aspectos más relevantes sobre este tema se refieren a: – Distribución de los sedimentos en el embalse Eficiencia de atrape – Medidas de control El hidrograma de entrada El sedimento arrastrado – Las características del sedimento – La configuración del embalse – La operación del embalse La geografía regional Para realizar los cálculos hidráulicos del proceso de sedimentación (o erosión) es necesario satisfacer los principios siguientes: – Ecuación de continuidad del flujo dQ/dx 0 – Ecuación de continuidad del sedimento transportado (1/(1- 0) d(qst b)/dt = O – Ecuación de conservación del momentum + dy/dx + d(He)/dx – O o en forma de la ecuación de flujo gradualmente variado dD/dx = (Sb -V2/gD) Además, para resolver este sistema de ecuaciones es necesaria na ecuación de arrastre de sedimento: qst = Cst qp y una ecuaclón de resistencia o fricción : V ct Rxh sy Los modelos matemáticos la fecha, tratan de s OF as resolver este sistema de e spués de realizar varios define como 6. 5 veces la del delta – El punto en donde se encuentran ambas líneas se considera como el nivel normal del embalse, lo cual será válido si este nivel se mantiene durante el tiempo suficiente (nivel de operación), en caso contrario tendrá que utilizarse un nivel medio de operación. – El delta se extenderá hasta el punto en que el nivel máximo de embalse intercepte el lecho original del río. Estos aspectos aunque no son exactos permiten tener idea del comportamiento del embalse para fines de operación.
Es necesario, sin embargo, calcular cual será el tiempo en que se alcance tal condición, es decir poder calcular la vida útil del embalse, a través de los métodos disponibles al respecto. 2. 42 Eficiencia de atrape Es importante determinar la forma de sedimentación de un embalse para definir la vida útil de un embalse. Este es un proceso complicado como se vio anteriormente. Sobre todas las variables involucradas en el problema quizás las dos más importantes son el caudal líquido y el caudal sólido. Otro factor importante que requiere una consideración especial y que tiene un significado importante es el peso específico del sedimento depositado.
Lane y Koelzer proponen una ecuacion empírica que permite determinar el peso específico promedio del sedimento depositado en un embalse en un período T de años: +BT/( -1) log T- B donde B y (1 (en Ibs/pie3) pueden obtenerse del cuadro siguiente: cuadro NO 11. 3 6 OF as Condición de embalse Sedimento siempre 93 sumergido Oscilación normal 93 de un embalse 1. 0 60 Arena O 074 Oscilación considerable Embalse normalmente vacío 93 Limo Arcilla 5 6. 7 30 16. 0 2. 7 46 10. 7 079 o 6. 0 82 El valor de (1 para una composición de arena, 0. 0 78 0. 0 limo y arcilla tendrá que obtenerse mediante un valor pesado de cada uno de los (1 especificados, es decir: (1 %arena * (arena + %limo * (limo + %arcilla * (arcilla lo mismo deberá hacerse para g. La eficiencia de atrape se define como la porción de sedimento anual transportado que es retenido en el embalse, y generalmente es denotado por E.
Los métodos disponibles para estimar la eficiencia de atrape son empíricos y basados en mediciones que se han realizado en diferentes embalses. De os métodos más conocidos están los de Brune y Churchi primero de ellos consiste en conocer la relación entre capacidad y flujo entrante (CII) al embalse. La figura No 2. 1 presenta los valores de eficiencia sugeridos por Brune para diferentes valores de la relacion CII. El método de Churchill pr Indice de Sedimentación, Ino que define como el ción entre el tiempo de relación entre el tiempo de retención dividido por la velocidad. El periodo de retención resulta de dividir la capacidad del embalse por el flujo entrante y la velocidad se obtiene de dividir el caudal por la sección media.
La sección meda se obtiene dividendo la capacidad por la longitud de embalse para su nivel medio de operación. La figura No 2. 2 del anexo muestra el porcentaje de limo que pasa a través del embalse, en porcentaje, en función del Indice de Sedimentación. Para utilizar el gráfico es necesario utilizar el sistema de unidades inglesas. Desde un punto de vista teórico la eficiencia de atrape decrece continuamente desde que el embalse comienza a operar. Por lo que puede realizarse un análisis de año en aho o mes a mes, según sea el caso. La mejor expresión que define la eficiencia E es de la forma: (C/I) Siendo C la capacidad de embalse e I el volumen anual medio de agua.
Para la curva media de Brune, la ecuación es de la forma: E = + 1. 02 (CII)) Conociendo E y el peso específico de los sedimentos se puede calcular la sedimentación del embalse paso a paso. El objetivo final en todo caso será conocer la vida útil del embalse. Según Brown » la mayoría de los embalses deben reemplazarse cuando ellos hayan perdido el 50% de su capacidad total original ‘ este criterio define la vida útil de un embalse. La tasa de sedimentación de un embalse puede describirse mediante la ecuación . dC/dt -G asa de sedimento anual transportado hasta el embalse. Integrando esta ecuación tendremos: . 012 In (co,’q 1. 02 ((CO/I)- (CII)) I Con Co como la capacidad inicial del embalse.
De acuerdo con el criterio de vida útil propuesto por Brown la ecuación anterior se transforma del modo siguiente: -rvu = (YI/G ) (. 008+ . 51 (COA)) donde Tvu corresponde a la Vlda útil en años. Esta ecuación permite definir tentativamente la vida útil de un embalse. Sin embargo, este cálculo puede realizarse en forma discreta para un período definido, y tabularse segun el cuadro Cuadro 11. 4 Período Volumen Volumen iempoafluente sedimento Capacidad E embalse (ec. l) Acumulado TI II co El co-C1 Los valores de y G a usar normalmente serán los años de registro disponible, suponiendo que se da una continuaclón de tales registros en los años de operación del embalse. 2. Determinación de la capacidad útil de un embalse Los requerimientos nece terminar la capacidad útil de proyecto a desarrollar y de los estudios básicos iniciales. aportaciones del río pueden proporcionarse a través de: – Registros históricos – Registros sintéticos El primero de ellos corresponde a los registros hidrológicos Las isponibles en el sitio en estudio, y se supone que estos se repiten exactamente, por lo que se realiza el cálculo como si el proyecto funcionara en los años del registro disponible. El segundo considera que es necesario simular este registro añadiendo otros valores posibles a las condiciones hidrológicas. Si se tienen datos durante más de 15 años es conveniente usar el registro histórico.
Los registros sintéticos simplemente serán aquellos que tienen la misma probabilidad de ocurrir que el registro histórico y, por lo tanto, permiten analizar el funcionamiento del vaso en una gama mas amplia de posibilidades. La expresión general propuesta por Fiering para generar los valores del registro sintético es: xj- xj’ +(rj sysj-l -rj2)1/2 donde : Xj – valores generados para el mes j X] – media de los valores históricos del mes j Sj – desviación estándar de los valores históricos del mes j rj – coeficiente de correlación entre los valores históricos del mes j y los del mes j-l f] – número aleatorio con media cero, desviación estándar 1 y distribución normal. Otros métodos utilizados para ello son los modelos de simulación, también llamados Métodos de Monte Carlo, que consiste en generar alea a serie de caudales según las caracter[sticas
