SESIÓN 10: SESIÓN AL A L MA MACENA CENAMIENTO MIENTO Y TRÁNSITO DE DE AVE A VENID NIDA AS MBA IN ING G MARLON CUBAS CUBAS ARMAS
AL A L MA MACENA CENAMIENTO MIENTO Y EMBALSES
AL A L MA MACENA CENAMIENTO MIENTO Y EMBALSES
2.1 2. 1 IN INTR TROD ODUC UCCI CION ON La regulación artificial de nuestros ríos es una necesidad, tratando de satisfacer la demanda social, cada día más exigente y cambiante, que pretende introducir una corrección en el ciclo hidrológico, ayudando a minimizar las consecuencias extremas de inundaciones o de grandes sequías.
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El carácter de una obra hidráulica, como puede ser la formación de un embalse, ha venido tradicionalmente justificada por las mejoras para determinados usos produce: en el riego, el abastecimiento, la producción de energía, etc.
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Embalse de la Presa Pillones
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2.2 DEFINICION:
Embalses, almacenamientos, pondajes, azudes o reservorios, son los vasos que se cierran mediante una represa, con el objeto de recoger las aguas de la cuenca, en la época de lluvias para ser soltadas en las épocas de estiaje. Son volúmenes de agua retenidos en un vaso topográfico natural o artificial gracias a la realización de obras hidráulicas.
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2.3 Clasificación La clasificación de los embalses se puede hacer según su función y según su tamaño, de la siguiente manera: a) Según su función 1.Embalses de acumulación: Retienen excesos de agua
en períodos de alto escurrimiento. producen grandes almacenamientos pero facilitan regularizar el funcionamiento de sistemas de suministro de agua. Pequeños almacenamientos para suplir 3.Pondajes: consumos locales o demandas pico. 2.Embalses
de
distribución:
No
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b) Según su tamaño : 1. Embalses gigantes > 100,000 MMC 2. Embalses muy grandes 100,000 MMC > A > 10,000 MMC 3. Embalses grandes 10,000 Mm3 > A > 1,000 MMC 4. Embalses medianos 1,000 Mm3 > A > 1 MMC 5. Embalses pequeños o pondajes A < 1 MMC A: volumen del embalse
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Represa de Itaipu
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2.4 Ventajas y desventajas de los embalses. a) Ventajas
Mejoramiento en el suministro de agua, en épocas de sequía.
Aumento de las posibilidades y superficie de riegos.
Desarrollo de la industria pesquera.
Control de crecientes de los ríos y daños causados por inundaciones. 9
b) Desventajas:
Pérdidas en la actividad agroindustrial por inundación de zonas con alto índice de desarrollo.
Cambios en la ecología de la zona.
Posible incremento de la actividad sísmica, especialmente durante el llenado de embalses muy grandes.
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Perdidas de hábitats naturales, poblaciones de especies y de degradación de las cuencas arriba.
Desaparición y desplazamiento por inundación del embalse.
Emisión de gases por efecto invernadero.
Interferencia en migración reproductiva de los peces.
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Represa las tres gargantas 12
REFLEXIONES ●Las grandes represas interfieren en las reacciones ecológicas de la cuenca de un Río, aguas abajo y aguas arriba. ●Esto se debe a que un Río no es un canal de agua si no un ecosistema, con diversos elementos vivos y no vivos, entrelazados en ciclos y ritmos de producción y descomposición. 13
REFLEXIONES ● Casi todos los impactos ambientales de las
represas pueden ser mitigados por medio ●del diseño y del manejo. ●Algunos( emisión de CH4, metilación de Hg) ●se reducen según pasan los años. ●PERO…. 14
Los esfuerzos hechos a la fecha para contrarrestar los impactos ecosistémicos de las grandes represas han tenido un éxito limitado debido a la falta de atención en cuanto proveer y evitar los impactos, a la calidad deficiente y a la incertidumbre de las predicciones, a la dificultad de hacer frente a todos los impactos y a la ejecución y éxito solo parciales de medidas de mitigación. 15
Factores clave que influyen sobre las emisiones de GEI por represas Viento
CH4 burbujas
CO2 difusión
Desgasificación Prod. y muerte de plantas acuáticas
Prod. y muertede plancton
Aportes de C y N de aguas arriba
Descomposici ón de bi omasa y de suelos inundados
Fluctuaciones del caudal
DEFORESTACIÓN DE CABECERAS
2.5 Capacidad de almacenamiento:
Es la capacidad necesaria para atender totalmente la demanda del proyecto. Esta capacidad deberá ser incrementada para tener en cuenta la evaporación y otras que pudieran presentarse en el almacenamiento. Se determina la capacidad máxima de un embalse teniendo en cuenta sus condiciones geológicas apropiadas y que los rendimientos hídricos de la cuenca aseguren su funcionamiento. Para conocer la capacidad de almacenamiento es necesario estudiar las diferentes ubicaciones de la boquilla de la presa 18
En cualquier mes o día se cumple la ecuación:
Qd = Q – D De donde : Qd : Gasto por derivar Q : Gasto en el emplazamiento de la represa. D : Demanda del proyecto de riego. 19
R e p R E S A l A S t R E S g a R G a n T A s
Presa
“ El
Pañe “
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2.6 FINALIDAD:
Regular las masa hídricas.
Para prevenir daños en las obras hidráulicas y en las poblaciones.
Evitar la contaminación de los curso de agua en las minas (diseñar presas de relaves).
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2.7 CAPACIDAD FISICA DE UN VASO DE ALMACENAMIENTO
La capacidad de almacenamiento y el espejo de un vaso se grafica mediante la curva de áreas y volúmenes ( ver grafico adjunto ). Una vez elegida la ubicación de la represa, es posible delinear la traza de aguas máximas del vaso y determinar las áreas del espejo del agua del reservorio y los volúmenes almacenados, para lo cual se procede a arear cada 02 metros las curvas de nivel dentro del almacenamiento. 22
NOTA
S E CC I ON M A XI M A D E P R ES A
FUENTE: LEVANTAMIENTO TOPOGRAFICODE LA ZONADE EMBALSE REALIZADA POR INRENA JUNIO2005
SECCION MAXIMA Y CURVA AREA-VOLUMEN
2.7.1 Niveles característicos
Nivel de embalse muerto (NME)
Nivel mínimo de operación del embalse (NMOE):
Nivel normal del agua (NNE):
Nivel forzado de agua (NFE):
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LAGUNA DE ANTACOTO 27
2.8 ESTUDIOS QUE DEBEN REALIZARSE EN LOS ALMACENAMIENTO 2.8.1 Estudio del almacenamiento.
vaso
o
cubeta
de
2. El estudio de la boquilla o lugar de emplazamiento de la represa. 3. El estudio de ubicación del aliviadero o vertedero de excedencias. 28
2.8.1 Estudio del vaso o cubeta de almacenamiento:
La localización de un vaso depende en gran medida del costo de la represa que controla el volumen de almacenamiento y dependerá de las condiciones físicas e hidrológicas de la cuenca por encerrar. El aprovechamiento optimo de un vaso ubicado en la cordillera de los andes, será necesario efectuar una profunda investigación de su seguridad , mediante el estudio de glaciares y lagunas peligrosas que pudieran afectar el vaso con 29 desbordamientos imprevistos
• Los costos de expropiación de terrenos y de
reubicación de obras civiles y ruinas arqueológicas que pudieran aumentar su costo excesivamente. • La traza máxima de inundación debe efectuarse
un estudio minucioso de las condiciones de estabilidad, permeabilidad y fugas de agua a otras cuencas.
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• Se debe ver el vaso como atractivo turístico . • Es preferible un vaso profundo a un vaso no
profundo.
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El estudio de las filtraciones en el vaso ( Recreta). El estudio de las colmataciones de los almacenamientos: reservorio de Poechos, que tiene problemas de sedimentaciones, y el de reservorio de gallito ciego. Para evitar el desbordamiento se debe efectuar un estudio de las avenidas de diseño, relacionado con la seguridad de la obra.
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2.8.2 El estudio de la Boquilla. Se inicia de las posibles ejes de la presa, considerando en el análisis los aspectos geológicos, topográficos, canteras cercanas y facilidades para la construcción de la presa. Los levantamientos topográficos deben cubrir una cota de 50 m superior al nivel de coronación de la presa y cubrir las posibles áreas de relleno de la presa.
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Los estudios geológicos, deben comprender el área de la presa, el área de las canteras, los estribos y el fondo de la presa, cuando es necesario deberán efectuarse estudios geotécnicos para estudiar la estabilidad de las formaciones rocosas. Fallas geológicas y buzamientos.
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Se deben efectuar estudios sísmicos del área de la presa y del vaso, que permiten la seguridad plena de los diseños. Los estudios hidrológicos permiten determinar la capacidad posible del almacenamiento ( ? ) Definir los niveles máximos que pudieran alcanzar las aguas en la presa.
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• Efectuar los estudios de permeabilidad de
campo en el eje de la boquilla y el vaso. • El estudio de la boquilla permite elegir el tipo
mas conveniente de diferentes alternativas.
presa
y
analizar
• La determinación de la altura de la presa
depende de los recursos hídricos de la cuenca y de los posibles usos de agua.
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2.8.3 ESTUDIO DEL ALIVIADERO
Los vertederos o aliviaderos tiene por objeto eliminar en el tiempo mas breve las descargas de avenidas y evitar que la presa se dañe. La cota del aliviadero se fija con el nivel normal de almacenamiento , es decir con el volumen máximo embalsable. 38
Un aliviadero consta de las estructuras siguientes : Una toma o vertedero destinado a desviar los caudales que exceden el nivel normal. Una rápida que transporta el agua hasta los niveles inferiores de la presa. Una estructura que devuelve las aguas de su cauce.
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Para el diseño de los aliviaderos se efectúan principalmente: estudios hidrológicos. Son necesarias los análisis estructurales del vertedor .
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Estudio de evacuación o tomas . 2.8.4
las
obras
de
El volumen almacenados se evacua de la presa mediante los conductos de fondo acondicionados que tiene la mayor parte de las veces una capacidad igual a la máxima demanda del proyecto, así como para eliminar parte de las excedencias. Los caudales máximos de los desagües profundos suelen ser 10 a 20 veces el caudal medio . 41
2.8.5 Estudios de las canteras de materiales
Para el caso de presas de tierra y de enrocamiento se necesitan las canteras de materiales arcillosos para el núcleo de la presa y materiales permeables ( arenas y gravas) para las escarpas de la represa. Las canteras de materiales deben ubicarse en proximidades de la presa con una distancia máxima de 03 Km . 43
Vaso de la laguna
Presa
materia riale less plást plástico icoss pruebas de para el caso de mate consolidación y corte triaxial. Así como las pruebas de pe perm rmea eabi bililida dad. d. Para mate materia riale less roco rocoso soss se ejecutan pruebas de mecánica de rocas y comprensión, así como exámenes mineralógicos y de dureza de la roca.
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La ecuació ecuaciónn de fun funcion cionami amiento ento es :
Vf= Vi-Pe i-Pe-Vs. De do donde : Volumen final o actual actual del reservorio en Vf = Volumen MM3. anterior, en en MM3. Vi = Volumen an Perdida ppor or evap evapora oración ción en MM3. Pe = Perdida Volumen soltado( salida) de de la represa, represa, Vs = Volumen en MM3. 46
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Mediante la formula, siguiente se puede calcular por evaporación: Pc = C *S , en ( MM3).
C = coeficiente de evaporación diario o mensual S = Área del espejo de agua en KM2 en el intervalo del tiempo de la observación Al inicio de las soltadas de agua de la represa puede incrementarse las perdida de infiltración en el cauce también las perdidas de evaporación por lo cual analizar sus efectos en el escurrimiento fluvial natural. Para una mejor interpretación de los cálculos se dibujan llamada curva de funcionamiento del reservorio. 48
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DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE UN EMBALSE ECUACIÓN MATEMÁTICA DE ALMACENAMIENTO
TRÁNSITO DE AVENIDAS
El TRÁNSITO de avenidas en vasos es un procedimiento que sirve para determinar el hidrograma de salida de una presa dado un hidrograma de entrada.
OBJETIVOS
El objetivo fundamental del TRÁNSITO de avenidas en vasos es determinar el hidrograma de salida de una presa dado un hidrograma de entrada. No obstante, existen adicionalmente otras aplicaciones relacionadas con los aspectos siguientes:
Conocer la evolución de los niveles en el vaso y de los gastos de salida por la obra de excedencias, para saber si la política de operación de las compuertas del vertedor es adecuada y así, al presentarse una avenida, no se pongan en peligro la presa, bienes materiales o vidas humanas aguas abajo. Dimensionar la obra de excedencias, representada por el vertedor de demasías. Determinar el nivel del NAME. Estimar las magnitudes de los volúmenes útil y de superalmacenamiento.
APLICACIONES
Conocer la evolución de los niveles en el vaso y de los gastos de salida por la obra de excedencias.
Dimensionar la obra de excedencias, representada por el vertedor de demasías.
Determinar el nivel del NAME.
Estimar las magnitudes de los volúmenes útil y de superalmacenamiento.
El método hidrológico sigue el procedimiento iterativo desarrollado a partir de la ecuación de continuidad (Chow, 1964) representada por:
Dónde: I : Es el gasto de entrada, en m3/s O : Es el gasto de salida, en m3/s V : Es el volumen de almacenamiento, en m3 t : Es el tiempo, en segundos
Para diferencias finitas:
Donde: Δt : Es el intervalo de tiempo, en segundos
i, i+1 : son subíndices que representan los valores de las variables en el tiempo t = i Δt y t = (i +1) Δt, respectivamente.
CONSIDERACIONES
La solución numérica de la ecuación anterior permite realizar el TRÁNSITO de avenidas en vasos de almacenamiento, a partir de los gastos de entrada y salida y de los volúmenes que se almacenan a lo largo del tiempo. En el proceso del TRÁNSITO de una avenida en vasos no se consideran variables tales como la evaporación y la infiltración. En relación al intervalo de tiempo, propuesto en la ecuación anterior, se sugiere utilizar un intervalo de tiempo pequeño definido por la expresión:
Donde: tp = es el tiempo pico del
hidrograma
entrada.
de
En el tiempo t1 se alcanza el máximo almacenamiento y consecuentemente el máximo nivel en el vaso. El área que hay entre los dos hidrogramas entre t0 < t < t1
MÉTODO SEMIGRÁFICO
Se ha estructurado a través de dos etapas sucesivas. Primera etapa
Se selecciona el valor del incremento de tiempo Δt.
Se escoge una elevación y se obtiene el volumen V y el gasto de salida O. Con los valores de V y O se calcula 2V/Δt + O.
En una gráfica se representa a 2V/Δt + O contra O.
El procedimiento se repite para otras elevaciones. La figura 3 indica el resultado que se obtiene al graficar el número de parejas que se han seleccionado
El procedimiento se repite para otras elevaciones. La figura 3 indica el resultado que se obtiene al graficar el número de parejas que se han seleccionado
Segunda etapa En esta etapa se aplica la secuencia que se menciona a continuación: Para las condiciones iniciales, se calcula el miembro izquierdo de la ecuación.
Su resultado es igual a:
Donde K es una constante
El valor de Vi+1 se calcula con:
El método puede sistematizarse tal como aparece en la tabla 1
MÉTODO NUMÉRICO El objetivo del método numérico es resolver la ecuación:
TRÁNSITO DE AVENIDA EN CAUCES
Es la simulación de la variación de un hidrógrama al recorrer un tramo del cauce
Su estudio es similar al TRÁNSITO de avenidas en un vaso
Su solución se da por medio de la ecuación de continuidad
Relación entre almacenamiento-descarga
TRÁNSITO de avenidas: Se han buscado muchas maneras de predecir las características de una onda de la inundación para determinar las acciones necesarias para la vida y la característica de protección de los efectos de las inundaciones y mejorar acciones del transporte del agua a través de los arroyos naturales o artificiales por razones económicas. Es por eso que el TRÁNSITO de avenidas y cauces es una forma de describir el movimiento del agua de un punto a otro a lo largo de un río.
A través de embalses: Un embalse es un lago artificial donde se almacena agua, procedentes de la lluvia y el subsuelo. El agua de los embalses puede tener diferentes usos, como riego de zonas agrícolas, suministro de agua potable, también para uso industrial y recreativo.
EXISTEN DOS CLASIFICACIONES PARA EL TRÁNSITO DE AVENIDAS:
TRÁNSITO agregado o TRÁNSITO hidrológico. En el cual el caudal esta en función del tiempo únicamente
TRÁNSITO distribuido o TRÁNSITO hidráulico. Se calcula el caudal en función del espacio y el tiempo a través del sistema.
TRÁNSITO DE AVENIDAS EN cauces El procedimiento hidrológico más usado para transitar avenidas en tramos de cauces es el desarrollado por McCarthy (1938) conocido como método de Muskingum.
HIPÓTESIS La hipótesis básica establece que el almacenamiento total en el tramo de río es directamente proporcional al promedio pesado de los gastos de entrada y salida del tramo, es decir: Donde V : es el volumen de almacenamiento, en m3/s I : es el gasto de entrada, en m3/s O : es el gasto de salida, en m3/s K : es la constante de proporcionalidad, llamada de tiempo de almacenamiento, expresada en unidades de tiempo X : es el factor de peso
Relación entre el vol umen de almacenamiento y los gastos de entrada y salida
Ahora bien, utilizando el mismo procedimiento para la ecuación de continuidad se obtiene la expresión:
Dónde
OBTENCION DE LOS PARÁMETROS K y X METODO METOD O CON INFORMACION ESCASA Se le puede asignar al parámetro X valores entre 0 y 0.3 y K se hace igual al tiempo entre los gastos pico de los hidrogramas de entrada y de salida del tram ramo de río o bien se estima, segú segúnn Lins Linsle leyy y coau coauto tore ress (197 (1975) 5),, con con el au auxi xililioo de la expr expres esió ión: n:
Dónde: H: es el desnivel entre las dos secciones de los extr extrem emos os de dell tram tramoo de dell río, río, en km L: es la longitud del tramo del río, en km.
MÉTODO MÉT ODO DE CAL CALIBR IBRACI ACIÓN ÓN TRA TRADIC DICION IONAL AL Este criterio se aplica cuando se dispone de una avenida que haya sido aforada en los extr extrem emos os de dell tram tramoo de inte interé réss de dell río río (Fue (Fuent ntes es y Fran Franco co,, 19 1999 99). ). El proce procedi dimi mien ento to de cali calibr brac ació iónn es el sigu siguie ient nte: e:
Se divide el hidrograma de entrada y salida en int ervalos de tiempo Δt, a partir de un
tiempo inicial común.
Se calcula el almacenamiento promedio para cada intervalo con la ecuación:
Se calcula VT definido como el almacenamiento acumulado.
Se supone un valor de X
Se calcula Y con la expresión:
Se dibujan los valores de VT (paso 3) y los de Y (paso 5), para la X supuesta (ver figura sgte).
Se observa si los puntos se ajustan a una recta, en caso afirmativo se continúa con el paso 8, si no es así, se supone otra X y se regresa al paso 4.
Una vez seleccionado el valor adecuado de X, el parámetro K resulta ser igual a la pendiente de la recta de ajuste.
Calibración del parámetro X, con el método tradicional
MÉTODO DE CALIBRACIÓN DE OVERTON Se usa cuando se conoce el gasto pico y el tiempo en que se presenta éste para los hidrogramas de entrada y salida en el tramo del río.
Donde tp : es el tiempo pico del hidrograma de entrada al tramo del río Tp : es el tiempo pico del hidrograma de salida del tramo del río Ip : es el gasto pico del hidrograma de entrada al tramo del río Op : es el gasto pico del hidrograma de salida del tramo del río.
APLICACIÓN DEL MÉTODO DE MUSKINGUM Para transitar un hidrograma, conocidos los valores de los parámetros K y X se aplica el procedimiento que a continuación se describe:
Se calculan las constantes C0, C1 y C2 con las ecuaciones:
Se conoce I1 y O1
Se considera el gasto de entrada I2 en el tiempo siguiente.
El gasto de salida se obtiene con la ecuación:
Los valores de I2 y de O2 se toman como I1 y O1 y se repite el procedimiento desde el paso 3.
PROBLEMA
TRÁNSITO de una avenida en un tramo de río, a partir del método de Muskingum. El poblado de la figura 5 se inunda cuando el gasto en el sitio B, llega en algún momento a ser del orden de 65 m3/s.
Tramo del río en estudio
Con el método de Muskingum transitar la avenida entre el tramo A-B y determinar si el poblado localizado en B se inunda, si en sitio A se presenta el hidrograma mostrado en la figura 6.
Hidrogr ama o avenida de diseño en la sección A
Además, se sabe que en pasado se registraron en los sitios A y B las avenidas que se muestran respectivamente en la figura 7.
Solución:
Estimación de las variables X y K.
Con los datos disponibles se elaboró la tabla 2 con un total de 15 columnas cuyo contenido se describe a continuación.
En la primera opción, se supone que X = 0.1 y los resultados se observan en las columnas (1) a (9).
Posteriormente, se dibujan los valores de la columna (6) contra los de la columna (9). El resultado se puede ver en la figura 8 a).
Visualmente se observa que los trazos no se aproximan a una recta, por lo que es necesario suponer otro valor de la variable X. Por consiguiente, se consideró otra opción con un valor de X = 0.3 (en lugar de X = 0.1) y se llenaron las columnas (10) a (12) de la tabla 2.
En seguida, se dibujaron los valores de la columna (6) contra los de la columna (12) y su resultado se observa en la figura 8b). Analizando visualmente el comportamiento de la figura 8b) se detecta un ajuste inadecuado para el valor de X =0.3.
Entones se procede a realizar otra aproximación utilizando una tercera opción con un valor de X = 0.13 y se llenaron las columnas (13) a (15) de tabla 2.
Se dibujaron los valores de la columna (6) contra los de la columna (15) y en la figura 8c), se observa el resultado.
Observando las tres opciones, se determinó que el mejor ajuste se presenta en la figura 8c), ya que se tiene un buen ajuste a una recta.
En consecuencia, se toma que X es igual a 0.13 como el valor correcto.
El valor de K se obtuvo al calcular la pendiente de la recta, línea punteada de la figura 9, a la que se aproximan todos los trazos.
La magnitud de K resultó ser igual a 11.43 horas.
Conocidos los valores de K y X se procede a estimar con las ecuaciones, las magnitudes de las constantes C0, C1 y C2.
Figura 8 a). Relaciones entre el almacenamiento y los gastos
Figura 8 b). Relaciones entre el almacenamiento y los gastos
Figura 8 c). Relaciones entr e el almacenamiento y los gastos
Figura 9 Estimación del parámetro K del método de Muskingum
Tabla 2. Cálculos para la c alibración d e la constante X
a) El proceso para estimar los volúmenes almacenados que aparecen en la columna (5) de la tabla 2, para los intervalos de tiempo, se indica a continuación:
b) Cálculo de las constantes C0, C1 y C2, con Δt = 4 h, K = 11.43 horas y
X=0.13.
c) Se verifica que se cumpla lo siguiente:
d) Se efectúa el TRÁNSITO de la avenida con la ecuación:
e) Los resultados se encuentran resumidos en la tabla 3 y de acuerdo con los valores, se observa que el gasto máximo de egreso, hidrograma en el sitio B, es de 71.81 m3/s, por lo que se comprueba que si se inundará el poblado B. f) La figura 10 indica los hidrogramas de ingreso y egreso en las secciones A y B del tramo de río en estudio, obtenidos al transitar la avenida de diseño por el método de Muskingum.
Tabla 3 Aplicación del método d e Muskingum
Figura 10 Hidrogramas de entrada y salida obtenidos al transitar una avenida con el método de Muskingum
