Vasos de almacenamiento Equipo 1 Castro Guzmán Abraham Contreras Acosta Blanca Luz Gómez Salazar Felipe González Martínez Carlos Daniel González Rodríguez Elia Abadesa
VASOS DE ALMACENAMIENTO INTRODUCCION • Los proyectos de abastecimiento de agua, riego o hidroeléctricos no pueden ser capaces de satisfacer las necesidades de los usuarios y/o consumidores durante los periodos de escurrimiento extremadamente bajos. • Con frecuencia la corriente se convierte en un impetuoso caudal después de las lluvias fuertes constituyendo un peligro a todas las actividades a lo largo de sus márgenes. • Un vaso de almacenamiento o de conservación puede retener ese exceso de agua en los periodos de alto escurrimiento para su utilización en los periodos de sequia reduciendo a su vez el daño por inundaciones aguas abajo del vaso de almacenamiento. En relación a lo anterior podemos decir que la función principal de un vaso de almacenamiento es estabilizar el escurrimiento del agua.
CARACTERISTICAS FISICAS DE LOS VASOS DE ALMACENAMIENTO Debido a su función la característica principal es la capacidad de almacenamiento. • En los vasos de forma regular dicha capacidad puede calcularse mediante las formulas para los volúmenes de los solidos. • La capacidad de almacenamiento de los vasos en sitios naturales debe calcularse mediante levantamientos topográficos, construyendo una curva de áreas-elevaciones
Se construye planimetreando el área comprendida dentro de cada curva de nivel del sitio del vaso de almacenamiento, la integral de la curva áreaselevaciones es la curva de capacidades del vaso.
Curva de alturas-capacidades y de alturas-áreas para el vaso cherokee del rio Holston, tennessee
Nivel normal de almacenamiento: Es la elevación máxima a la cual la superficie de un vaso subirá durante las condiciones ordinarias de funcionamiento y operación. Nivel mínimo de almacenamiento: Es la mínima elevación a la que trabajara el vaso bajo condiciones normales (este nivel puede fijarse por la toma o salida mas baja de la presa). Almacenamiento útil: volumen de almacenamiento entre el nivel mínimo y el normal, en los vasos de propósito múltiple puede dividirse en almacenamiento para conservación y almacenamiento para control. Almacenamiento muerto: Agua retenida bajo el almacenamiento mínimo. Súper almacenamiento: Descarga sobre el vertedor de demasías durante las avenidas.
Almacenamiento efectivo: almacenamiento útil + súper almacenamiento – almacenamiento natural del valle
Zonas de almacenamiento en un vaso
RENDIMIENTO DEL ALMACENAMIENTO El rendimiento es la cantidad de agua que puede suministrarse del vaso en un intervalo especifico de tiempo, dichos intervalos pueden variar desde un día para vasos de distribución pequeños hasta un año para grandes vasos de almacenamiento. El rendimiento depende del escurrimiento de aportación y variara de año. Rendimiento seguro o firme: la cantidad máxima de agua que puede garantizarse durante un periodo crítico de sequia (periodo de escurrimiento natural mas bajo). Rendimiento secundario: exceso de agua disponible por encima del rendimiento seguro durante los periodos de escurrimiento altos. Rendimiento aritmético: es el promedio aritmético de los rendimientos firme y secundario.
SELECCIÓN DE LA CAPACIDAD DEL VASO DE DISTRIBUCIÓN PARA UN RENDIMIENTO DADO Diseño de un proyecto con la capacidad de satisfacer una demanda específica. A la larga, el escurrimiento de salida debe de ser igual al escurrimiento de entrada, menos los desperdicios y pérdidas inevitables. El rendimiento necesario se basa en una estimación de la demanda máxima diaria que tiene los consumidores. La capacidad del vaso debe de ser suficiente para abastecer a la demanda en las épocas cuando esta excede al gasto de bombeo. Una solución similar se emplearía, si se considera un ritmo o gasto variable de bombeo.
SELECCIÓN DE LA CAPACIDAD PARA UN VASO FLUVIAL
El análisis para la selección de un vaso fluvial se le conoce como: estudio de operación. Dicho método puede hacerse únicamente para un periodo de escurrimientos extremadamente bajos
El estudio mas completo indica la probabilidad de deficiencia de agua o de energía de diversas magnitudes, las cuales son importantes en la planeación económica y en la integración dentro del proyecto de un sistema
El estudio se basa en datos recabados anuales, mensuales, diarios o aun en periodos mas cortos.
EJEMPLO ILUSTRATIVO A continuación se dan escurrimientos o aportaciones mensuales de entrada durante el periodo crítico de niveles bajos de agua en el sitio de una presa determinada. Los valores correspondientes mensuales de la evaporización y de la precipitación en una estación cercana y la demanda mensual calculada que hay del agua que va a almacenarse. Los derechos de agua anteriores exigen la extracción del escurrimiento natural total, o bien de 100 m3 por mes, del volumen mensual mínimo, considérese que el 25% de la lluvia sobre el área del terreno que va a inundarse por medio del vaso h llegado a la corriente en el pasado. úsese una área neta de almacenamiento de 1000 m. Encontrar el almacenamiento útil necesario.
1
2
3
4
5
Mes
Gasto (m3)
Enero
2100
3.5
4.5
40
100
203
281
2078
0
Febrero
4400
5.0
4.7
40
100
291
294
4303
0
Marzo
30
5.8
0.5
80
30
340
31
-309
389
Abril
10
6.1
0.7
130
10
356
44
-312
442
Mayo
5
5.4
0.2
140
5
315
12
-303
443
Junio
3
4.6
0
140
3
269
0
-269
409
Julio
1
3.0
0
130
1
175
0
-175
305
Agosto
0
1.7
0
120
0
100
0
-100
220
Septiembre
0
0.8
0
80
0
47
0
-47
127
Octubre
0
1.0
0.4
40
0
59
25
-34
76
Noviembre
0
1.3
0.8
30
0
76
50
-26
56
Diciembre
3
2.4
4.6
30
3
140
288
148
0
Total
6552
40.6
16.4
1000
252
2371
1025
4954
2467
Evaporación Precipitación Demanda (mm) (mm) (m3)
Evaporación = Col.3 x 1000/12 x 0.7 Esc. Ajustado = Col.2 - Col.6 - Col.7 + Col.8
6
7
8
9
10
Compromisos Escurrimien Necesidades de Evaporación Precipitación aguas abajo to ajustado almacenamiento (m3) (m3) (m3) (m3) (m3)
Precipitación = Col.4 x 1000/12 x 0.75 Necesidades de almacenamiento = C0l.9 -Col.5, siempre que la suma sea negativa
• Condiciones en el sitio • Determinar que cantidad de agua rendirá esta capacidad del vaso • El rendimiento firme = a la suma del almacenamiento utilizable en el vaso y de la aportación utilizable durante el periodo critico
• Es la representación acumulativa del gasto o aportación de entrada neta del vaso para un periodo determinado de años. • Determinar el rendimiento que puede esperarse con una determinada capacidad del vaso.
• La pendiente de la curva masa en cualquier época o tiempo, es la medida del gasto de aportación o entrada en ese tiempo • Las curvas de demanda, que representan un ritmo de demando uniforme, son líneas rectas que tienen una pendiente igual a la del ritmo de demanda. • Las líneas de demanda trazadas tangentes a los puntos altos de la curva-masa (A,B), representan a los ritmos de extracción del vaso.
• Considerando que el vaso esté lleno siempre cuando una línea de demanda corte a la curvamasa, la desviación máxima entre la línea de demanda y la curva-masa representa a la capacidad del vaso que es necesaria para satisfacer la demanda. • La distancia vertical entre tangentes sucesivas representa al agua vertida por la obra de excedencias. • Si la demanda no es uniforme, la línea de demanda se vuelve una curva, pero el análisis no cambia, pero debe coincidir cronológicamente con la curva-masa.
• Las tangentes se trazan en los puntos altos de la curva-masa (A, B), en una forma tal que su desviación máxima no exceda a la capacidad especificada del vaso. • Las pendientes de las líneas resultantes indican los rendimientos que pueden obtenerse en cada año con la capacidad especificada de almacenamiento. • La pendiente de la línea de demanda más plana es el rendimiento firme. • Una línea de demanda debe cortar a la curvamasa cuando se prolonga. Si esto no sucede, el vaso no se vuelve a llenar.
“Transporte de azolves o sedimentos por las corrientes” Cada corriente lleva o acarrea algo de sedimentos en suspensión y mueve sólidos más grandes a lo largo del lecho de la corriente como carga del lecho.
Las partículas del sedimento en suspensión tienden a depositarse en el fondo del cauce, pero las corrientes superiores en el escurrimiento turbulento, contrarrestan a este depósito gravitacional. Cuando el agua cargada de sedimentos llega cargada a un vaso, la velocidad y turbulencia disminuyen mucho. Las partículas más pequeñas permanecen en suspensión mucho más tiempo y se depositan más aguas abajo en el vaso, aunque las partículas mucho muy pequeñas pueden permanecer en suspensión por un largo periodo, pudiendo pasar a la presa junto con el agua descargada por compuertas, turbinas o por la obra de excedencias.
La carga de sedimento en suspensión se mide muestreando el agua, filtrando para quitar el sedimento, secando y pesando el material filtrado. La carga de sedimentos se expresa en partes por millón (ppm), calculadas dividiendo el peso del sedimento entre el peso del sedimento y el agua en la muestra y multiplicando el coeficiente por 10⁶.
No existe ningún dispositivo práctico para la medición de la carga del lecho en utilización actualmente. Stevens estimó la carga del lecho de la corriente como el 15% del azolve en suspensión.
Einstein ha presentado una ecuación para el cálculo del movimiento de la carga del lecho con base en la distribución del tamaño del material del lecho y de los valores del gasto del escurrimiento.
Los ritmos de erosión varían de tormenta a tormenta con las variaciones en la intensidad de la lluvia, condición del suelo y desarrollo vegetal. El sedimento erosionado de una cuenca durante una tormenta puede depositarse en el cauce de la corriente para permanecer hasta otra tormenta superior que lo deslave hacia aguas abajo. La calibración de azolves o sedimentos proporciona un auxiliar útil para las estimaciones de la aportación de azolves a los vasos.
“Azolve o sedimento de vasos” El destino final de todos los vasos de almacenamiento es llenarse con los sedimentos o azolves. Si la aportación de sedimentos o azolves es grande en comparación con la capacidad del vaso, la vida útil de éste puede ser muy corta. La planeación de un vaso de almacenamiento debe incluir la consideración de la intensidad o ritmo probable de la sedimentación o azolve, con objeto de determinar si la vida útil del vaso propuesto será suficiente para garantizar su construcción.
El peso específico de los sedimentos depositados parece ser que varía con la edad del depósito y con la característica del sedimento. Los pesos específicos (secos) de muestras de sedimentos de vasos de almacenamiento varían desde cerca de 40 hasta 110 lb/ft³, con un promedio de aproximadamente de 60 lb/ft³ para azolves recientes y de 80 lb/ft³ para azolves antiguos.
El porcentaje de la aportación de azolves que queda retenido en un vaso (eficiencia de la captación), es una función de la relación entre la capacidad del vaso y el volumen de aportación total.
La eficiencia de la captación de un vaso disminuye con la edad conforme la capacidad del vaso se reduce por la acumulación del azolve. Pero en la práctica, la vida útil dl vaso se termina cuando la capacidad ocupada por el sedimento es suficiente para evitar al vaso que sirva al propósito a que se le destina.
“Control del azolve en los vasos” El procedimiento más común para tratar con el problema del azolve o sedimentación, es diseñar una parte de la capacidad del vaso como almacenamiento de azolves o sedimentos. Esto constituye una aproximación negativa que en ninguna forma reduce la acumulación de sedimentos, sino que solamente pospone la fecha cuando esto se vuelva serio.
En la práctica, el azolve o sedimentación de los vasos no puede evitarse, pero es posible que se retrase. Una forma de hacer esto, es seleccionar un sitio donde la aportación de sedimentos sea naturalmente baja.
Después de que se haya seleccionado un sitio, la capacidad del vaso debe hacerse suficiente para crear una vida útil que garantice la construcción.
Si a una corriente no se le permite su carga normal de azolve o sedimento, tenderá a socavar su lecho o sus bancos. Por consiguiente, la protección de los bancos de una corriente mediante el revestimiento, la vegetación u otros medios, es una característica necesaria para un plan de control de sedimentos.
Las compuertas desarenadoras en varios niveles, algunas veces permitirán la descarga de los sedimentos más finos antes de que tengan tiempo de depositarse en el fondo. En muchos vasos, un escurrimiento de entrada o aportación cargada de azolve puede moverse a través del almacenamiento en forma de una corriente de densidad o capa de agua con una densidad ligeramente diferente de la del cuerpo principal de agua en el vaso. La eficiencia de captación del vaso puede disminuirse del 2 al 10%, cuando sea posible dar salida a tales corrientes de densidad, por medio de los desagües o desfogues.
Mareas y oleaje por el viento en los vasos • Parte del diseño de un vaso grande involucra a la estimación de la marea por el viento • La marea es causada por los movimientos del agua superficial hacia las playas protegidas y por la acción del viento
• 𝑧𝑠 =
𝑉𝑤 2 𝐹 1400𝑑
• En donde: • 𝑧𝑠 es la altura en pies • 𝑉𝑤 es la velocidad del viento en millas por hora • 𝐹 es el fetch o longitud de la superficie del agua sobre la cual el viento sopla en millas • 𝑑 es la profundidad media del lago a lo largo del fetch en pies
• Las pequeñas olas son causadas por las fuerzas tangenciales entre el viento y el agua. • Las olas aumentan en tamaño por el choque del viento contra la parte trasera de la ola • Conforme la olas crecen en tamaño, también aumenta su velocidad, hasta que se mueven a la misma velocidad del viento • Como las fuerzas del viento que actúan sobre la ola son función de la diferencia entre la velocidad del viento y la velocidad de la ola, el crecimiento posterior cesa cuando las velocidades se igualan
• Para las olas oceánicas se utiliza un valor modificado del fetch. Y la ecuación derivada es: • 𝑧𝑤 = 0.034𝑉𝑊 1.06 𝐹 0.47 • 𝑧𝑠 es la altura media del tercio más alto de las olas y se llama la altura significativa de ola (en pies) • 𝑉𝑤 es la velocidad del viento aproximadamente a 25 pies arriba de la superficie del agua (en millas por hora) • 𝐹 es el fetch (en millas)
• Como el diseño debe hacerse antes que el vaso esté terminado, generalmente se utilizan los datos de viento sobre terreno
• La altura de la ola significativa es excedida en mas o menos el 13% del tiempo
• Cuando una ola golpea a una ladera, subirá por la pendiente arriba de la altura del agua libre. La cantidad de escurrimiento depende de la superficie
• La longitud de la onda λ se calcula con la ecuación: • λ = 512𝑡𝑤 2 • 𝑡𝑤 es el periodo de la ola, y se calcula por medio de la ecuación: • 𝑡𝑤 = 0.46𝑉𝑤 0.44 𝐹 0.28
Limpia de vasos • La eliminación de árboles y maleza del sitio de un vaso es una operación costosa y difícil de justificar con una base económica • Las principales desventajas de dejar a la vegetación en el vaso: – Los árboles eventualmente flotarán y crearán un problema de basura en la presa – La descomposición de la materia orgánica puede crear malos olores o sabores en los depósitos para agua potable – Los árboles que sobre salen de la superficie del agua dan una apariencia indeseable y restringir el uso del vaso para fines recreativos
Filtraciones en el vaso • Muchos bancos o bordos del vaso son permeables, pero la permeabilidad es tan baja que las fugas no son de importancia • Si las paredes del vaso son de roca muy fracturada, de material permeable volcánico o calcáreo cavernoso, es posible que haya serias fugas • Si las fugas tienen lugar por bien definidos conductos o dentro de una pequeña área, puede ser posible tapar la zona por medio de inyecciones a presión • Si el área de la fuga es grande, el costo de la inyección puede ser excesivo
Selección del sitio para el vaso de almacenamiento • Las reglas generales para la selección de sitios para vasos son: – Un sitio apropiado para presa – El costo de los terrenos que ocupará el vaso, no debe ser excesivo – El sitio del vaso debe tener una capacidad adecuada – Un vaso profundo es preferible a un vaso somero – Las área tributarias que producen azolve deben evitarse – La calidad del agua almacenada debe ser satisfactoria para el uso que se le intenta dar – Los sitios en los cuales una cantidad considerable de fugas pueden ocurrir, deben evitarse
Cuestionario
1.-¿Cuál es la función principal de un vaso de almacenamiento? a) Retener los escurrimientos b) Estabilizar el escurrimiento de agua c)Modificar el relieve natural d)Ninguna de las anteriores
2.- ¿Qué se conoce como almacenamiento útil? a) El nivel de almacenamiento entre el nivel mínimo y el nivel normal b) Al super almacenamiento c) El periodo de escurrimiento natural mas bajo d) Ninguna de las anteriores
3. El escurrimiento de agua se da cuando… a)El suelo se satura y no hay más filtración b)Se evapora el agua. c) Existe precipitación. d)La forma en que baja el agua.
4. La recopilación de datos para el estudio puede ser… a)Anual. b)Mensual. c) Diaria d)Todas las anteriores.
5.- ¿A qué esta fijada en algunos casos la capacidad del vaso? • • • •
A) Condiciones del vaso B) Condiciones en el sitio C) El rendimiento D) Ninguna de las anteriores
6.- ¿Qué es la curva-masa? • A) Es una gráfica acumulativa del volumen neto de almacenamiento. • B) Es la representación acumulativa del gasto o aportación de entrada neta del vaso para un periodo determinado • C) Es la medida del gasto de aportación o entrada en algún tiempo determinado • D) Ninguna de las anteriores
7.- ¿Qué ocurre cuando el agua cargada de sedimentos llega a un vaso de almacenamiento? • A) La velocidad disminuye y la turbulencia aumenta. • B) La velocidad aumenta y la turbulencia disminuye. • C) La velocidad y turbulencia disminuyen mucho. • D) La velocidad y turbulencia aumentan mucho.
8.- ¿Cómo puede ser la vida útil de los vasos de almacenamiento si la aportación de sedimentos o azolves es grande en comparación con la capacidad del vaso?
• • • •
A) Muy corta B) Muy larga C) Mediana D) Ninguna de las anteriores
9.- ¿Qué es el fetch? • • • •
A)La longitud de la ola B)La velocidad del viento C)El peso del vaso D)La longitud de la superficie del agua sobre la cual el viento sopla
10.- ¿cuál de las siguientes afirmaciones es una regla para elegir el sitio de un vaso de almacenamiento? • A) El sitio del vaso debe tener una capacidad adecuada • B) Un vaso somero es preferible a un vaso profundo • C) La cantidad de agua almacenada debe ser poca para el uso que se le intenta dar • D) Todas las anteriores
Respuestas • • • • • • • • • •
1.- B) Estabilizar el escurrimiento de agua 2 .- A) El nivel de almacenamiento entre el nivel mínimo y el nivel normal 3.- A) El suelo se satura y no hay más filtración 4.- D) Todas las anteriores 5.- B) Condiciones en el sitio 6.- B) Es la representación acumulativa del gasto o aportación de entrada neta del vaso para un periodo determinado 7.- C) La velocidad y turbulencia disminuyen mucho. 8.- A) Muy corta. 9.- D)La longitud de la superficie del agua sobre la cual el viento sopla 10.- A) El sitio del vaso debe tener una capacidad adecuada
