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Urrá
Manejo de la Sedimentación en Embalses Hidroeléctricas 1ro Taller Taller Sobre Gestión de Sedimentos en Embalses en Colombia Consejo Nacional de Operación, Bogotá 27 de mayo de 2015
Dr. Gregory L. Morris, PE Ing. Juan Portalatín, Portalatín, PE
[email protected]
Impactos Debido a los Sedimentos en las Sist Sistemas emas Hidroeléctricas IMPACTOS EN EL EMBALSE • • • •
Pérdida de capacidad Obstaculización de la bocatoma Abrasión de obras hidráulicas (e.g. Vertedero, compuertas) Acumulación en conductos conductos
IMPACTOS IMPACTOS EN LA CASA DE MÁQUINAS • Obstrucción del sistema de enfriamiento • Erosión de los equipos hidro-mecánicos (turbinas, válvulas) cavitación • Aumenta daño por cavitación concentración • Necesidad de parar el central cuando sube la concentración de sedimentos
Impactos Debido a los Sedimentos en las Sist Sistemas emas Hidroeléctricas IMPACTOS EN EL EMBALSE • • • •
Pérdida de capacidad Obstaculización de la bocatoma Abrasión de obras hidráulicas (e.g. Vertedero, compuertas) Acumulación en conductos conductos
IMPACTOS IMPACTOS EN LA CASA DE MÁQUINAS • Obstrucción del sistema de enfriamiento • Erosión de los equipos hidro-mecánicos (turbinas, válvulas) cavitación • Aumenta daño por cavitación concentración • Necesidad de parar el central cuando sube la concentración de sedimentos
Pérdida del volumen del embalse
Colmatación de túneles
Sedimentos y la Sustentabilidad de los Embalses •
Las sistemas hidroeléctricas proveen la mayoría de la energía eléctrica en Colombia, y el agua almacenado en los embalses es crítico para suplir energía durante los meses de estiaje.
•
Los embalses son una clase de infraestructura única en cuanto a 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 dificil y costoso recuperar la capacidad perdida, particularmente para los embalses grandes.
OBJETIVO: Garantizar la operación los embalses por un tiempo indefinido mediante el manejo de la sedimentación.
Abrasión de Equipo Hidromecánico Abrasión de Rodete en la Central Kali Gandaki, Nepal
Los sedimentos normalmente ocasionan la abrasión gradual de los equipos hidromecánicos • Pero en casos extremos pueden ocasionar daños catastróficos
Abrasión de wicket
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
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.
Desgaste ocasionado en <24 hrs de operación con arena
Desgaste del asiento de la válvula en <24 hrs de operación con arena
Válvula esférica
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 (revestimiento)
Carga hidráulica
Diseño de turbinas y otras componentes
Escala Mho: Dureza de acero en turbinas ≈ 4.7 Dureza cuarzo ≈ 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
• Optimizar la configuración de la bocatoma 2. Tamaño máximo de para reducir entrada de sedimento sedimentos que llegan a las • Optimizar diseño y operación de turbinas 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 revestimiento a la turbina
Ecuación Nozaki de ciclo de reparación Parametros utilizadas en determinar la tasa de abrasión de equipos hidromecánicos
Curva para determinar el ciclo de reparación en base a la concentración modificada y carga hidráulica (velocidad del flujo).
Conceptos Principales de Manejo 1. El manejo sostenible ya es un “mejor práctica de la
ingeniería” de hoy; no es un problema para resolver en
el futuro. 2. La transición al uso sostenible, siguiendo operación al largo plazo, es factible con planificación adecuada: – Requiere cambios operacionales – Puede requerir modificaciones estructurales – Los beneficios en el futuro pueden ser menos de la situación actual. – Los impactos ambientales pueden cambiar.
3. Diferentes estrategias de manejo son aplicables a diferentes tamaños de sedimento 4. Se requiere un programa de monitoreo regular para entender mejor la situación de cada embalse y encontrar soluciones óptimas
Operación al largo-plazo requiere que se
reemplace el concepto de “Vida Útil” con el concepto de “Operación Sostenible.” Concepto de "Vida Útil" Acumula Sedimento Continuamente
Escenario de "Fin-de Vida" y Cierre del Proyecto
Operación Sostenible Balance de Sedimentos Influ jo = Descarga
Se recomienda la adaptación de la estrategia de Operación Sostenible como el mejor práctica de la ingenería para las sistemas hidroeléctricas.
El cierre del proyecto y remoción de la presa conlleva un serie de consecuencias (Glines Canyon hydropower dam, Elwha River, USA) Remoción de la presa, liberación de los sedimentos acumulado durante casi 100 años
Que es la Operación Sostenible? Los objetivos de la Operación Sostenible en embalses son: (1) minimizar la tasa de pérdida del volumen, y (2) lograr un balance entre la entrada y descarga de sedimento mientras se maximiza el volumen de almacenaje u otros beneficios. Los beneficios de los proyecto no son relacionado directamente al volumen de almacenaje •
No todos los volumenes tienen el mismo valor
•
Por ejemplo, volumen para regulación para horas picos tiene mucho más valor que el volumen de almacenaje estacional (de invierno a los meses secos).
Consecuencias Ambientales • Modelo “Vida Útil” con cierre del proyecto – Habrá que construir proyectos nuevos de re-emplazo, con sus impactos correspondientes – El cierre del proyecto no implica que los impactos ambientales son cero. – El balance de sedimentos será re-establecido, pero sin beneficios operacionales
• Modelo “Operación Sostenible” del proyecto – Requiere re-establecer el balance de sedimentos – Evita la construcción de proyectos de re-emplazo
La operación sostenible se logra solamente como resultados de las acciones apropiados tomados a tiempo
Cuándo 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 en la zona de la toma.
• Muchos embalses experimentan tasas de sedimentación mayor que lo anticipado en el diseño original.
No todo los sedimentos están enfocado en la zona muerta. Pierde capacidad útil a la vez que pierde volumen muerto (La Esmeralda, AES-Chivor). 800
758 Mm3
700
600 ) m (M500 L A T O400 T
3
Volumen Total
583 Mm3
668 Mm3 Volumen Ú l
Año 2060: 50% pérdida del volumen total.
507 Mm3
N E M300 U L O V 200
50% del volumen original
100
0 Jan-75
Jan-85
Jan-95
Jan-05
Jan-15
Jan-25 AÑO
Jan-35
Jan-45
Jan-55
Jan-65
Cúales 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 Capacidad:influjo =
Embalse
Cuenca no-embalsada
Volumen embalse Escorrentía anual
Conceptos Principales de Manejo 1. El manejo sostenible ya es un “mejor práctica de la
ingeniería” de hoy; no es un problema para resolver en
el futuro. 2. La transición al uso sostenible, siguiendo operación al largo plazo, es factible con planificación adecuada: – Requiere cambios operacionales – Puede requerir modificaciones estructurales – Los beneficios en el futuro pueden ser menos de la situación actual. – Los impactos ambientales pueden cambiar.
3. Diferentes estrategias de manejo son aplicables a diferentes tamaños de sedimento 4. Se requiere un programa de monitoreo regular para entender mejor la situación de cada embalse y encontrar soluciones óptimas
El camino hacia la operación sosetnible se inicia con la preparación de un Plan de Operación Sostenible • Recopilación de datos existentes • Diagnóstico para identificar: – Estrategias técnicamente factibles – Necesidades de información y datos de campo
• Estudios a detalle – Estudios de campo – Estudios de gabinete y modelación – Diseño conceptual y estimado de costo
• Selección del Plan de Ejecución – – – –
Acciones Secuencia e itinerario Diseño, permisos, ejecución de obras Cambios operacionales
Es necesario entender las carácterísticas de la sedimentación en el embalse.
Los procesos y patrones de sedimentación y opciones de manejo pueden variar MUCHO de un embalse a otro
• Tamaño y cantidad de sedimento. • Delta puede ser presente o ausente. • Corrientes de turbiedad pueden llegar al embalse, o pueden dissipar antes de llegar. • Diferencias en la configuración geométrica del embalse • Diferencias en la configuración de la bocatoma, las compuertas, etc. • Reglamentación vigente. • Mercado de energía.
Sedimentacion Sedimentacion en el Delta • La sedimentación es visible • Sedimentos gruesos: NO SE PUEDE TURBINAR • Es esencial evitar su entrada en la bocatoma • Su avance hacia la bocatoma depende en la operación del embalse
Delta con sedimento grueso (Embalse Yeso, aguas arriba de Santiago, Chile)
Delta compuesto de arena y limo (embalse Tarbela, Pakisan)
Llegada del delta al embalse (Brazil)
Depósitos de delta erosionados durante la reducción en nivel anual debido a la operación de la hidroeléctrica
Muestreo de arena en zona de la delta en el embalse La Esmeralda
Delta cortando tributarios (embalse Porce II, Colombia) Delta Corriente de turbiedad
Patrones de deposición en el delta no son uniformes (Represa Peligre, Haití)
Que será el patrón de sedimentación en El Peñol?
Embalse Guavio, Colombia
Depósito de Sedimentos Finos cercanos a la represa Lago Prieto, Puerto Rico
Patrón del Movimiento de una Corriente de Turbiedad a través de un Embalse La deposición de sedimentos de repetidos se caracteriza por un lecho horizontal que se extiende aguas arriba de la presa.
Ejemplo de una corriente de turbiedad pasando por un embalse hidroeléctrico.
Turbiedad aguas abajo de la represa Represa Agua clara superficial dentro del embalse Agua turbia entrando al embalse
Represa Dos Bocas Puerto Rico
Punto de Sumergencia de Corriente de turbiedad Embalse Playas, Colombia
Sedimentación en Represa Nurek, Tajikistan (zonas de depósitación de sedimento grueso y fino)
Depósito de Delta (diámetro 10-250 μ)
Depósitos horizontales, indicativos de sedimento transportado por medio de
corrientes de turbidez. (diámetro <= 10μ)
Represa Nurek, Tajikistan Altura de la Presa= 300 m Vol. Inicial = 10.5 km3
Presa Nurek (La Represa se extiende 70 km aguas arriba)
A 34 km aguas arriba de la presa se encuentra el punto de sumergencia de las corrientes de turbidez
Punto de Sumergencia-Corriente de Turbidez (mayo 2015, Embalse Nurek, Tajikistan – 3000 MW, 10 km3 de almacenaje)
Las corrientes de turbidez pueden transportar grandes cantidades de sedimentos, especialmente en el inicio de la vida del embalse, cuando la eficiencia de atrapar sedimentos es mayor, sin embargo muchos proyectos no lo consideran como una medida de manejo de sedimentos. (Represa Nurek y Embalse en Río Vakhsh, Tajikistan – Cuenca del Mar Aral)
Patrón de sedimentación de sedimentos finos aguas abajo del delta Embalse Elephant Butte, New Mexico, USA
Lecho Sedimentado es horizontal
Elev. vertedero
Fondo original
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. (Represa Dos Bocas, Puerto Rico) Nivel del vertedero
Descargando agua de dos niveles (Xiaolangdi, Río Amarillo, China)
Estrategias de Manejo de Sedimetos 1. Reducir Influjo de Sedimentos
4. Adaptación a la Sedimentación
2. Pasar Sedimentos
3. Remoción de Sedimentos
Monitoreo (necesario en todas las
1-Reducción de Influjo de Sedimentos • Control de Erosión – Costoso, puede envolver miles de dueños de terrenos, lento e poco predecible su efectividad
• Atrapar Sedimentos Aguas Arriba – Presas pequeñas tienen poca capacidad y están expuestas a fallas, descargando todo el sedimento acumulado – Presas grandes son costosas – Presas para hidro ó irrigación son típicamente son las formas más rápidas y seguras para reducir el influjo de sedimentos, pero no siempre es certero.
• Descargas de Sedimentos Aguas Arriba – Represas aguas arriba pueden cambiar su operación y comenzar a descargar sedimentos
Erosión vs. Rendimiento de Sedimentos • Erosión. Desprendimiento y movilización inicial de partículas del suelo. El material erosionado puede ser transportado una distancia corta o larga antes de sedimentarse. La tasa de erosión casi nunca se mide en el campo, se estima en base a ecuaciones. • Rendimiento/producción de Sedimento. Cantidad de sedimento transportado hacia un punto de referencia en la red de drenaje, por ejemplo, una estación de aforo o un sitio donde hay una represa. Esto es el parámetro medido en el campo. • Razón de entrega de sedimento. Razón del rendimiento de sedimento a la tasa de erosión.
La protección del suelo del impacto directo de la lluvia tiene un efecto grande en reducir la tasa de erosión. Importancia de la vegetación en el control de la erosión.
FUENTES DE SEDIMENTOS Impacto de gotas de lluviaEl proceso que inicia el proceso erosivo.
No todos los sedimentos erosionados llegan a la estación de aforo o al embalse antes de quedarse atrapados o sedimentados nuevamente.
A todos los niveles geográfico (nivel de cuenca, nivel mundial), existe un alto grado de variación en el rendimiento especifico de sedimentos. Es esencial identificar las zonas de mayor aporte y enfocar esfuerzas a estas zonas. Rendimiento de sedimento a nivel mundial.
8.8% del área contribuya 69% de los sedimentos
Pequeñas obras para el control de cárcavas son costosas y poco efectivas a largo plazo, si no tienen mantenimiento. La mejor estrategia es establecer vegetación. 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.
Zona Río Arque Cochabamba, Bolivia
Efecto de eventos grandes en el rendimiento de sedimento Acumulación de descarga de sedimento en suspensión diaria durante 9 años.
Acumulación de descarga de sedimento en suspensión diaria durante 8 años.
Río Valenciano, Puerto Rico
Río Santa Ana, área de Los Angeles, California.
1,200,000
) s a d a1,000,000 l e n o t ( s o 800,000 t n e m i d e S 600,000 e d a v i t a 400,000 l u m u c A a 200,000 g r a C 0 Jan-83
100%
Daily Suspended Sediment Load Río Valenciano nr Juncos USGS 50056400
)l 90% t a o T f 80% o ( % 70% D A O L 60% & E G 50% R A N C 40% S I D E V I 30% T A L U 20% M U C 10%
Georges
Hurricane Hugo 9/18/89 No Data Hortense
No Hay Datos
S.S. LOAD Water Discharge
Santa Ana River at Mentone (USGS gage 11051500, Los Angeles area, California)
0% Jan-87
Jan-91
Jan-95 Fecha
Jan-99
Jan-03
10/6/80
2/18/82
7/3/83
11/14/84
3/29/86
DATE
8/11/87
12/23/88
5/7/90
Pérdida de volumen por eventos extremo en la cuenca
La Experiencia China • Es necesario implantar el control completo dentro de una micro-cuenca antes de trabajar en la próxima. • Puede requerir de muchos estructuras (cientos de estructuras) en una cuenca. • Requiere de una buena construcción. • Al no lograr estabilización completa, con control vegetativo, el proceso erosivo será iniciado nuevamente.
2-Pasar Sedimentos • Desvío de Sedimentos (almacenaje fuera del cauce) – Efectivo, método de preferencia si es posible – Reduce dramáticamente pero no elimina la sedimentación
• Reducción de Nivel del Embalse (“sluicing”) – EL nivel del embalse es reducid durante crecidas para maximizar la velocidad del flujo a lo largo del embalse y minimizar sedimentación. – Parte del sedimento previamente depositado puede ser erosionado, pero no es el objetivo principal
• Descargar Corrientes de Turbidez – Muchas represas tienen corrientes de turbidez, sin embargo no en todas se transportan cantidades substanciales de sedimentos. – Requiere descargas a niveles bajos – Impacto mínimo en la operación
Desvío de Sedimentos Embalses Fuera del Cauce- Agua con bajo sedimento es desviada hacia el embalse Exclusión de Crecidas – Agua con alta concentración de sedimentos durante crecidas es desviada y no se permite que entre al embalse Ejemplos Hidro- San Francisco (Colombia), San José (Bolivia) Ejemplos Sistemas de Almacenaje de Agua – Fajardo & Río Blanco, Puerto Rico
Esquema del Proyecto Río Blanco Toma en Rio Blanco
Tubería de Gravedad de 66”
Cuenca del Embalse Estación de Bombas
Embalse Planta de Filtración
Tubería de Dsitribución
Embalse
Agua utilizada en el Proyecto Río Blanco • Flujos bajos se mantienen en el río (flujo ambiental) • Flujos medios se desvían hacia el embalse concentraciones de sedimentos fluyen • Flujos altos con altas Rio Blanco Daily Discharge aguas abajo en el río
10
8
) 6 s / m ( a g r a c s e D 4
3
Capacidad de la Tubería
2
Flujo Ambiental 0 7/20/72
2/5/73
8/24/73
3/12/74
9/28/74
4/16/75
11/2/75
5/20/76
12/6/76
6/24/77
1/10/78
Vida Media de Varios Embalses en Puerto Rico (Tiempo en que perderán la mitad de la capacidad por sedimentación) Embalse 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250 2300 2350 2400 2450 2500 2550 2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900 2950 3000 3050 3100 3150 3200 3250 3300 3350 3400 3450 3500 3550 3600 3650 3700 3750 3800 3850 3900 3950 4000 Carite Patillas Guajataca Dos Bocas Cidra
Embalse Río Fajardo (Año 3965)
Caonillas Lucchetti Loiza Toa Vaca La Plata Cerrillos Fajardo Rio Blanco Año 2003
Embalse Rio Blanco (Año 3220)
Almacenaje Fuera de Cauce para Regulación Diaria (Proyecto San José, Bolivia, 122 MW) Problema: Cargas de sedimentos extremas, con bolos en el cauce, y un área con restricciones para la construcción de una represa Solución: Construir una laguna de regulación para generación pico.
Esquema del Proyecto San José, Bolivia
Reducción en nivel para pasar sedimentos
Pasando Sedimentos Por Vaciado Prolongado (Embalse Sanmenxia,Río Amarillo, China) Embalse está vaciado cuando empiezan los meses de flujo f lujo alto Se cierre a mitad de la estación húmeda para llenar el embalse
Sanmenxia: Configuración de compuertas de fondo
Crest =702 m
Túneles
Compuertas de fondo 12 - 3x2 m
Bocatomas Convertidas para pasar sedimentos Compuertas de fondo 8 - 3x2 m
Pasando Sedimentos Durante Crecidas Embalse Sanmenxia, Río Amarillo, China
Flujo
Compuertas de Fondo
Pasando Sedimentos Durante Crecidas Embalse Sanmenxia, Río Amarillo, China
Reducción de Nivel del Embalse (“sluicing”) Pasar sedimentos atravez del embalse con alta velocidad de flujo
• Conceptos Claves – Reducir tiempo de detención para reducir sedimentación – Mantener alta velocidad a lo largo del embalse para minimizar deposición de sedimento
• Enfoque Operacional – Requiere reducción del nivel del embalse en anticipación al evento de crecida o temporada de flujo alto – Requiere de un sistema de operación automatizado
• Aplicabilidad – Funciona en embalses de cualquier tamaño – La eficiencia varia considerablemente, dependiendo de la configuración del embalse y la hidrología. Funciona mejor en embalses largos y estrechos – Requiere compuertas de alta capacidad
Represa Kali Gandaki, Nepal
Hidrograma de Monsón y Manejo de Represa Represa operada en un nivel mas bajo durante el monzón para maximizar la velocidad del flujo y minimizar deposición de sedimentos. Sin reducción de nivel, Kali Gandaki se llenaría de sedimentos en un solo año.
Kali Gandaki, Nepal: reducción de nivel del embalse
Descarga de Corrientes de Turbidez • Conceptos Claves – Deben existir corrientes de turbidez que transporten sedimentos hacia la presa – Colocar una estructura de descarga para liberar corrientes de turbidez – La eficiencia se reducirá con el tiempo, a medida que el embalse se llena de sedimentos
• Enfoque Operacional – Corrientes de turbidez pueden descargarse a través de las turbinas o compuertas inferiores – No requiere vaciado del embalse
• Alicabilidad – Tipicamente es el primer método a implementar – Efieciencia varia dependiendo de la configuración del embalse
Patrón del Movimiento de una Corriente de Turbiedad a través de un Embalse La deposición de sedimentos de repetidos se caracteriza por un lecho horizontal que se extiende aguas arriba de la presa.
Corrientes de Turbidez fluyedo a través del embalse Dos Bocas, Puerto Rico
Agua turbia saliendo aguas debajo de la presa Presa Agua clara en el embalse
Agua Turbia entrando al embalse
Represa Dos Bocas,
Conceptos Principales de Manejo 1. El manejo sostenible ya es un “mejor práctica de la
ingeniería” de hoy; no es un problema para resolver en
el futuro. 2. La transición al uso sostenible, siguiendo operación al largo plazo, es factible con planificación adecuada: – Requiere cambios operacionales – Puede requerir modificaciones estructurales – Los beneficios en el futuro pueden ser menos de la situación actual. – Los impactos ambientales pueden cambiar.
3. Diferentes estrategias de manejo son aplicables a diferentes tamaños de sedimento 4. Se requiere un programa de monitoreo regular para entender mejor la situación de cada embalse y encontrar soluciones óptimas
Descarga de Corrientes de Turbidez a través de las Turbinas Es posible pasar sedimentos finos a través de las turbinas sin causar daño. Sin embargo, sedimentos gruesos son pueden ser pasados por las turbinas porque causarán daños a estas.
(A) Turbinando el corriente de turbiedad. (B) Descarga con aguas de crecida Para prevenir tomas profundas, se pueden usar sifones para succionar corrientes de turbidez de profundidades más bajas.
Modificación de Medidas de Manejo de Sedimentos, a Medida que Aumenta la Sedimentación
• Anticipar patrones de
sedimentación futuros y estrategias de mitigación • Planificar para la
eventual implementación durante el diseño del proyecto
3-Remoción de Sedimentos • Dragado – Costoso – Es difícil encontrar un lugar para disponer de los sedimentos extraídos, para una fuente de sedimentos que nunca acaba
• Vaciado y Purga de Sedimentos – Vaciado del embalse y socavación de los sedimentos previamente depositados – Descarga de agua con alta concentración de sedimentos puede matar toda la biota aguas abajo – Altos impactos aguas abajo, si no se maneja apropiadamente – Solo
• Remoción de Sedimentos es Costoso – Costos directos de operación, incluyendo mitigación ambiental – Cost of foregone power production
Remoción Mecánica del Sedimento
Lake Springfield, Illinois
Lago Pellejas, Puerto Rico
Remoción Mecánica del Sedimento • Excavación Seca • Dragado Hidráulico – Dragado Convencional – bomba abordo • Succión Solamente (para sedimentos fluidos) • Succión y Cortador (para sedimentos consolidados)
– Dragado Tipo Sifón (usa diferencia en carga hidráulica para succionar sedimentos) – Dragado por Bomba de Elevación de Aire (excavación profunda pero menos eficiente)
Tipos de Dragas Típicos
Cortadores de la Draga
Lake Springfield, Illinois
Dragado en Bajo Anchicayá (Colombia) Dragado continuo desde 1962 para mantener la bocatoma libre de acumulación de sedimentos. Las dragas tienes motores eléctricos. Se descarga aguas debajo de la presa.
Draga con motores eléctricos Dragalinea Fija “Sauerman” para sedimento grueso
(74 MW, 83 m3/s, 72 m head)
Presa
Draga Tipo Sifón • Reduce los costos energéticos mediante la eliminación de la bomba, pero la distancia máxima que puede descargarse el material es típicamente menor a 2km debido a la fricción. • Cuando el nivel del embalse se reduce, el gradiente hidráulico disponible también se reduce.
Draga Sifón de 700 mm: Represa Valdesia, Republica Dominicana Trabajo impedido por basura y troncos sumergidos
Descarga de fondo para la draga sifón Represa Valdesia, Republica Dominicana
Factores Críticos para Minimizar el Costo de Dragado La energía es el factor más determinante del costo • Minimizar la velocidad de la tubería (se necesita mantener una velocidad mínima para prevenir deposición en la tubería) • Es necesario conocer el diámetro mayor a ser dragado. • Velocidades bajas también redundan en una razón mas baja de deterioro de bombas y tubería. • Material d tubería debe ser apropiado para minimizar abrasión (Plástico de alta densidad (hdpe) puede ser mejor que el acero) • Usar draga más grande y eficiente • Seleccionar un tamaño de draga apropiado para el trabajo, basándose en la máxima eficiencia. • Dragar a máxima eficiencia, no para completar cierta configuración
Purga de Sedimentos a Presión Puede utilizarse para mantener una bocatoma en operación, pero remueve muy poco sedimento
Socavación provocada por la apertura de la compuerta de fondo mientras el nivel en el embalse se mantiene alto
Patrón de Socavación Generado por Purga de Sedimentos a Presión La pendiente del cono de socavación será mas empinada en suelos arenosos, y más suave en sedimentos finos
Cono de Socavación en Arena
Cono de socavación semi circular en frente de una bocatoma en Brazil, idéntico al patrón teórico. Angulo de Reposo aprox. Pendiente= 0.30
Cono de Socavación en Limo y Arcilla
Cono de Socavación Alongado
Pendiente = 0.02
Vaciado de Embalse y Purga de Sedimentos • Vaciado de Embalse • Socavación remueve sedimentos y son descargados a través de una compuerta de fondo • Duración: Días a Semanas • Ventajas: en algunos casos puede recuperar parcialmente volumen de almacenaje, pero usualmente retarda la sedimentación • Desventajas: – – – –
Requiere grandes cantidades de agua Requiere tener el sistema fuera de operación durante la purga Altas concentraciones de sedimentos descargadas aguas abajo Efectividad limitada en muchos casos
Lago Yahuecas, Puerto Rico •
No es fácil remover sedimentos consolidados
•
Se requirió trabajadores para excavar un canal de socavación a través de los sedimentos consolidados.
La Purga de Sedimentos por Vaciado sovacará un canal con ancho similar al cauce de río original •
Debido a que la razón de la descarga y capacidad de transporte estan limitadas por la capacidad de las compuertas de vaciado, no será posible erosionar todo el sedimento grueso depositado en el embalse.
• Canal de lavado ayuda a transportar las corrientes de turbidez hacia la presa
Planicies sumergidas continuarán acumulando sedimentos. Estos depositos no son removidos por el vaciado. Full Reservoir Level
Flushing Channel
Corrientes de turbidez depositan sedimentos finos en el canal de lavado, y estos seran erosionados durante el siguiente
Ancho de Canal preembalse
Sedimento Removido por Vaciado de Embalse y Purga de Sedimentos
Compuerta de Fondo
Boca Toma
El diseño original no consideró sedimentación, y no localizó la bocatoma en la cercanía de la compuerta de fondo, para que pudiese ser mantenida libre de acumulación de sedimentos durante el vaciado. Al momento se requiere limpieza mecánica.
Compuerta de Fondo
Canal de Socavación y Localización de Bocatoma Localizando la bocatoma adyacente a la compuerta de fondo, hubiese facilitado la limpieza de sedimentos acumulados en la cercanía de esta.
Compuerta de Fondo
Boca Toma
Canal de Boca Toma – Mantenido Mecánicamente
Canal de Socavación
La bocatoma debe ser limpiada manualmente y mecánicamente. Si se hubiese considerado la sedimentación durante el proceso de diseño, se se tendrían que incurrir costos adicionales de operación.
Bocatoma limpiada manualmente
Canal de Socavación
Represa Cachí, Río Reventezón, Costa Rica Generación Hidroeléctrica
Concentración Máxima de Sedimentos= 400,000 mg/L.
Bocatoma localizado adyacente a la compuerta de fondo para facilitar limpieza
Compuerta de Fondo
La descarga aguas abajo no es sufficiene para erosionar todos los sedimentos gruesos
Represa Cachí, Costa Rica
Medición de sedimentos aguas abajo de la presa durante purga de sedimentos El Congo, Río Reventezón, Costa Rica
Estación de Muestreo El Congo, Río Reventezón, Costa Rica
Muestreador
Rio Reventezón 10 a.m. (Agua Clara)
Rio Reventezón 5 p.m. (Agua Turbia)
Durante Purga de Sedimentos
Durante Purga de Sedimentos – mirando aguas arriba
Durante Purga de Sedimentoscanal de socavación
Toma y Rejilla
Canal de socavación durante vaciado Embalse Cachí, Río Reventezón, Costa Rica
Sedimento saliendo de la represa
Embalse Cachí, Costa Rica
Balance Annual de Sedimentos Represa Cachí Note que no todo el sedimento puede ser expulsado por la purga de sedimentos Balance de Sedimento Mecanismo de Descarga de Sedimentos Tons/año
Porciento del Total
Pasando a través de las turbinas
148,000
18
Depositado en terrazas sumergidas
167,000
21
60,000
7
Depósitos de Corrientes de turbidez removidos por eventos de purgas
432,000
54
Total
807,000
100
Sedimento grueso atrapado
Serie de tiempo del patrón típico de concentración de sedimentos aguas debajo de la presa durante purga de sedimentos.
Mitigación Ambiental • Es una tema de investigaciones, particularmente en Europa y Japón • Llevar a cabo el vaciado cuando hay amplia flujo disponible para dilución • Llevar a cabo múltiples vaciados, cada uno con un menor cantidad de sedimento, en vez de eventos infrecuentes con más sedimento • Evitar descargas de sedimentos durante periodos de mayor sensitividad biológica
Conceptos Principales de Manejo 1. El manejo sostenible ya es un “mejor práctica de la
ingeniería” de hoy; no es un problema para resolver en
el futuro. 2. La transición al uso sostenible, siguiendo operación al largo plazo, es factible con planificación adecuada: – Requiere cambios operacionales – Puede requerir modificaciones estructurales – Los beneficios en el futuro pueden ser menos de la situación actual. – Los impactos ambientales pueden cambiar.
3. Diferentes estrategias de manejo son aplicables a diferentes tamaños de sedimento 4. Se requiere un programa de monitoreo regular para entender mejor la situación de cada embalse y encontrar soluciones óptimas
El camino hacia la operación sosetnible se inicia con la preparación de un Plan de Operación Sostenible • Recopilación de datos existentes • Diagnóstico para identificar: – Estrategias técnicamente factibles – Necesidades de información y datos de campo
• Estudios a detalle – Estudios de campo – Estudios de gabinete y modelación – Diseño conceptual y estimado de costo
• Selección del Plan de Ejecución – – – –
Acciones Secuencia e itinerario Diseño, permisos, ejecución de obras Cambios operacionales
Datos de Campo y Monitoreo • Estudios Batimétricos – Volumen disponible en el embalse – Luego de varios estudios se puede establecer la tasa de sedimentación – Es esencial mantener una consistencia en metodologia en los estudios de batimetría.
• Muestreo de Sedimentos – Gradación de sedimentos en el embalse – Monitoreo del avance de la arena – Equipo de muestreo VIBRACORE – Costo-efectivo y fácil de implementar
• Estudios Especiales
Estudios Batímetricos • La pérdida de capacidad no es uniforme en el tiempo • Mucho oportunidad para error en los estudios batimétricos • Necesidad de utilizar metodología consistente • Requiere varios estudios para determinar tasa de sedimentación de manera confiable • Existe potencial de eventos catastróficos que aportan mucho sedimento
Variación en datos de batimetría (Porce II) 235
230
225
) m M ( E220 M U L O V L 215 A T O T
? ?
3
Feb. 2001
Nov. 2007
210
2 1 0 2 . b e F
205 Nota: En la etapa de diseño se habí a es mado la tasa de pérdida de volumen en 3.75 Mm3/año. 200 0
12
24
36
48
60
72
84
MONTHS SINCE INITIAL FILLING
96
108
120
132
144
Problema debido a Cambio en metodología (Sistema Cutzamala, México) El aumento en volumen representa errores de medición 450" 400" 350"
)' 300" m (M250" ' e m200" lu o V 150"
3
100" 50" 0" 1940"
Valle"de"Bravo" El"Bosque" 1950"
1960"
1970"
1980" Year'
1990"
2000"
2010"
2020"
Estudios Batimétricos, Represa Nurek, Tajikistan
•
Información más Relevante – Localización y avance del delta – Elevación de los sedimentos en la cercanía de la bocatoma – Volumen de almacenaje disponible
Pérdida en Capacidad Interrogante: Por cuanto tiempo podrá funcionar la central hasta que su operación sea imposibilitada por la sedimentación.
50% de Volumen @ 52 años
Represa Peligre, Haití
Tasa de Pérdida de Capacidad no es Siempre Constante Data from reservoirs in Kansas, Oklahoma, y mai n stem Missouri River (red)
FACTORES: • Consolidación del sedimento con el tiempo • Reducción en el rencimiento de sedimento • Reducción en eficiencia de atrapar sedimento
Canton
1.00% E G A R O T S L A )r U a N e N y A / F % O (S E S 0.10% T O A L R E G A R E V A
Wister
0.01% 1940
1950
1960
1970
1980 SURVEY YEAR
1990
2000
2010
2020
Muestreo de Sedimentos utilizando equipo VIBRACORE, Represa Urrá, Colombia VIBRACORE
Tubo de Muestreo de 3m
Tripode
Polea Eléctrica
Barrenos en sedimentos finos Muestreando hasta 60 m de profundidad
Winche
Tubo del barreno
Motor Vibrador Flotas sumergidas mantienen el barreno vertical
(La Esmeralda, Colombia)
Extrusión del barreno
Muestreo de Sedimentos
Muestra de Sedimento @ 50 metros de profundidad
Muestra tomada en la cercania de la bocatoma.
Modelación Númerica Modelación Matemática • Análisis de la progresión de la sedimentación a largo plazo • Define el tiempo en el que se necesitará la implementación de medidas de control de sedimentación • Evalúa diferentes escenarios operacionales para optimizar las operaciones de manejo de sedimento • Evalúa reglas operacionales con respecto a la generación de energía
Modelos de 1-dimensión (simulaciones de 100 años) Modelos en 2-dimensión (simulaciones con mayor detalle) • Mayor detalle de simulación requiere mayor dato de calibración
Efecto de niveles operacionales en el avance del delta
Nivel Operacional constante
Nivel Operacional sube con el tiempo
Optimización de la Operación del Sistema Modelo Matemático: Embalse La Esmeralda, Colombia (SRH-1D, USBR) Operacional Actual
2042
2027
2012
Optimización de la Operación del Sistema Modelo Matemático: Embalse La Esmeralda, Colombia (SRH-1D, USBR) Incrementación gradual del nivel mínimo operacional
2072 2027 2042
2012
El diseño detallada de las obras pueden requerir modelación físico
La operación sostenible es un alternativa deseable y viable, pero requiere acción con anticipación
Gregory L. Morris
[email protected] www.glmengineers.com
Referencia disponible en formato PDF
PDF of 748 page book Reservoir Sedimentation Handbook McGraw-Hill Book Co., New York
www.reservoirsedimentation.com
