Bocatoma huachipa 3.2
HIDRAULICA FLUVIAL 3.3.1 3.3.1.1
Morfología fluvial Caracterización Caracterización morfológica
La caracterización morfológica del río Rímac en el emplazamiento de la bocatoma bocatoma Huachipa, Huachipa, se realiza a partir del análisis análisis de las imágenes imágenes satelitales satelitales obtenidas del Google Earth, así como de los levantamientos topográficos y visitas de inspección realizadas. En la imagen satelital que se muestra en la Figura N° 4, se puede apreciar que el eje de la bocatoma propuesto en el estudio definitivo definitivo se ubica en
una
contracción del cauce que se ha producido como consecuencia del arrojo de desmonte sobre el talud de la margen izquierda del río. El ancho del cauce en el cierre es de unos 150 m, unos 30 m más que las secciones sin contraer de aguas arriba y aguas abajo. La imagen muestra también, la presencia de un cauce principal de unos 2530 m de ancho que se ubica en el centro del cauce existente y tiende a diri girse hacia la margen derecha en el lado de aguas abajo.
Figura N°4 Imagen satelital de la ubicación de la bocatoma
Los levantamientos topográficos realizados recientemente, demuestran que la imagen satelital disponible es bastante antigua ya que la sección ha sido donde se ubica en eje ha continuado estrechándose como producto de la colocación de material de desmonte en ambas márgenes del río. La sección actual ha reducido su ancho a 110 m y presenta un cauce principal de 20 m de ancho que se ha recostado hacia la margen el lado derecho del río, configurándose una situación hidráulicamente favorable para la implantación de la captación por esa margen. La margen derecha del río limita con una terraza baja localizada a no más de 2 m de altura sobre el cauce principal, donde se han desarrollado terrenos de cultivo; en la margen izquierda, el cauce limita con una terraza alta situada a más de 5 m por encima del mismo, donde se sitúa una losa deportiva y un parque que se ubican en el límite de una urbanización que se extiende hasta la Carretera Central
La pendiente promedio del río, evaluada desde 1 km aguas arriba del eje hasta 1 km aguas abajo, es de 0.015, lo que le confiere un carácter semitorrentoso y con moderada capacidad de arrastre de sedimentos de fondo y gran capacidad de transporte de material flotante (ramas y bolsas) y en suspensión. 3.3.2
Perfiles hidráulicos
3.3.2.1
Metodología
Los perfiles hidráulicos del río Rímac son evaluados mediante la aplicación del modelo numérico desarrollado por el Hydrologic Engineering Center, US Army Corps of Engineers, denominado HECRAS, el cual es aplicable a un flujo estacionario unidimensional, gradualmente variado. Las bases del procedimiento de cálculo corresponden a la solución de la ecuación de energía. Las pérdidas de carga por energía entre secciones transversales son evaluadas como pérdidas por fricción y pérdidas por contracción y expansión. A continuación se muestra la ecuación general de cálculo:
Y 2 Z 2
2
V
22
Y Z 1
2g
1
2
V
11
he
2g
Donde: Y 1 ,Y 2
=
Tirantes en las secciones transversales (m).
Z 1 , Z 2
=
Altura del fondo relativo al plano de referencia (m s.n.m.).
=
Velocidades medias para el total de las respectivas áreas
V 1 ,V 2
hidráulicas (m/s).
=
,
1 2
Coeficientes de distribución de velocidades.
g
=
Aceleración de la gravedad (9.81 m/s²).
he
=
Pérdida de carga (m).
La ecuación general para la determinación de las pérdidas de carga es: he LS f
a V C
2 a V
2
2 2
2g
1
1
2 g
Donde: L
=
Longitud del tramo en cálculo (m).
S f
=
Gradiente de energía representativa entre dos secciones.
C
=
Coeficiente de pérdida por contracción o expansión.
La obtención de los resultados resulta de la aplicación de la ecuación mediante un proceso iterativo, suponiendo flujo normal como condición inicial. El caudal es calculado para cada sección mediante la siguiente forma de la ecuación de Manning: p
K S
Q Total
1/ 2
i
f
i 1
1 2/3
K i
n
Ai Ri
i
Donde:
QTotal
=
Caudal total en una sección (m3/s).
K i
=
Caudal en la subsección i [i = 1.....p] (m 3/s).
S f
=
Pendiente.
Ai
=
Area en la subsección i [i = 1.....p] (m2).
Ri
=
Radio hidráulico en la subsección i [i = 1.....p] (m).
ni
=
Coeficiente de rugosidad de Maning en la subsección
Para el cálculo de caudales en una sección transversal, compuesta de diferentes áreas parciales, se requiere que el caudal sea subdividido en áreas por las cuales las velocidades son uniformemente distribuidas como se aprecia en la figura inferior. Bajo esta condición se subdivide el caudal a través de la sección transversal del cauce del río en áreas, las cuales son definidas según los coeficientes de rugosidad. n1
n2
A1P1
A2P2
A3P3
Cauce
Margen
Margen
3.3.3 3.3.3.1
n3
Datos geométricos Secciones transversales
El archivo de datos geométricos se conforma introduciendo en el modelo las secciones transversales del río Rímac levantadas en el mes de octubre
del 2008, las cuales se desarrollan desde 1 km aguas arriba del eje de la bocatoma hasta 1 km aguas abajo del mismo. El espaciamiento de las secciones transversales levantadas es de 100 m La ubicación de las secciones transversales ha sido determinada teniendo en cuenta las características longitudinales del río en cada tramo, la variabilidad del cauce transversalmente, presencia de obras de interferencia, curso del río en curvas, formación de meandros, presencia de ramificaciones, condiciones de perpendicularidad a la dirección del flujo. 3.3.3.2
Coeficiente de rugosidad
Para la determinación de los coeficientes de rugosidad se ha tomado en cuenta las inspecciones de campo efectuadas, así como la experiencia y las descripciones de diferentes libros considerando las características de la superficie rugosa imperante, tipo de suelo, condiciones de vegetación, irregularidades del cauce del río, alineamiento del talwed del río, zonas de erosión y deposición, obstrucciones tamaño y forma del cauce, caudales en épocas de avenidas y estiaje y niveles del pelo de agua observados y/o registrados. Un coeficiente de rugosidad de 0.040 se estima conveniente de adoptar para el cauce principal. 3.3.3.3
Coeficientes por contracción y expansión del flujo
Los coeficientes para determinar las pérdidas por contracción y expansión de flujo entre secciones se determinan en base a los levantamientos topográficos y observaciones de campo, considerando el estrechamiento o ensanchamiento del cauce. Se ha estimado conveniente utilizar coeficientes de 0.5 y 0.8 para las contracciones y expansiones del cauce, respectivamente.
30
3.3.4
Datos del flujo
Como datos de flujo se ha utilizado los caudales de avenidas de 470 y 580 m3/s, establecidos en el estudio hidrológico.
Se ha elegido la opción de flujo mixto; es decir, el propio programa será el que determine el régimen de flujo. La sección de control de aguas arriba y aguas abajo se determina mediante la aplicación de la fórmula de Manning, considerando una pendiente de 0.015. 3.3.5
Resultados
El perfil hidráulico interesa para la determinación de la curva de remanso generada por la implantación de la estructura, así como para la evaluación del nivel aguas abajo de la bocatoma para el cálculo de la sumergencia del resalto hidráulico. Para el primer escenario, se ha corrido el programa HEC-RAS para el caudal máximo instantáneo correspondiente a la avenida con período de retorno 1/1000 años, estimado en 580 m3/s. El perfil hidráulico se presenta en la Figura N° 5:
) (m n oi t a v le E
F igur a N° 5 Perfi l hidráulico del rí o R ímac Q= 580 m 3 /s
31
Los datos de relevancia para el diseño, se presentan en el Cuadro Nº10.
.
Cuadro N° 10 Características hidráulicas en la sección de bocatoma
Para el segundo escenario, se ha corrido el HEC RAS para un caudal de 470 m3/s, que corresponde al caudal máximo para una avenida con período de retorno 1/1000 años.
El perfil hidráulico se muestra en la Figura N° 6 ; mientras que los datos de la sección ubicada inmediatamente aguas abajo de la estructura en el Cuadro N° 11 y la Figura N° 7.
32
) (m n iot a v le E
F igur a N° 6 Perfi l hidráulico del rí o R ímac Q= 470 m 3 /s
Cuadro N° 11 Características hidráulicas de la s ección aguas abajo de la bocatoma Q= 470 m 3 /s
33
WS PF 3
) m ( n iot a v el E
412
F igura N° 7 Sección aguas abajo de la bocatoma Q= 470 m 3 /s
3.4 3.4.1
TRANSPORTE DE SEDIMENTOS Generalidades
La bocatoma Huachipa y su presa derivadora se han diseñado para resistir las fuerzas hidrodinámicas y del acarreo de sedimentos correspondiente al tránsito del caudal de avenidas con periodo de retorno de de 1000 años, y un caudal de captación de la bocatoma de 10 m3/s (5 m3/s en una primera etapa). Para asegurar un diseño flexible, seguro, y de buen funcionamiento bajo distintas condiciones de operación, es necesario cuantificar el transporte de sedimentos que transita en el río Rímac por el sitio de emplazamiento del proyecto, la sedimentación que produce aguas arriba de la presa derivadora y la socavación que se produce aguas abajo de la misma.
34
3.4.2
Información hidrológica y sedimentológica
3.4.2.1
Caudales
Según reporta el Informe de Hidrología “Bocatoma Huachipa – Estudio Hidrológico (2008)”, el caudal medio anual registrado es de 31.09 m3/s
(980.45 MMC), el caudal medio registrado en el periodo de avenidas (Enero-Abril) es de 50 m3/s (1576.8 MMC), y el caudal medio registrado para el periodo (Mayo-Diciembre) es de 21 m3/s (662.25 MMC). Estos valores fueron estimados a partir de los registros históricos de los caudales diarios mínimo, promedio y máximo de la estación de aforos Chosica (años 1968-2007), así como de los registros históricos de caudales máximos promedios disponibles para el periodo 1921-1967. Los caudales de estiajes entre los mes de Junio y Noviembre, considera el caudal trasvasado (4.1 m3/s) de la cuenca Mantaro hacia la subcuenca de Santa Eulalia (Proyecto Marca I), que se encuentra en operación desde el año 1969. Los caudales máximos en periodo de avenidas, reportados en el Informe de Hidrología, se consignan en el siguiente Cuadro 12 Cuadro 12 Caudales de máximas avenidas con distintos periodos de retorno C audales ( m3/s )
Periodo de retorno (años )
50
100
200
1000
Caudales máximos
307
382
444
470
Caudales máximos instantáneos
378
423
470
578
Fuente: Bocatoma Huachipa – Estudio Hidrológico (2008)
La cuantificación del transporte de sedimentos, en el sitio de emplazamiento de la bocatoma Huachipa y su presa derivadora, se realizó aplicando el caudal máximo instantáneo correspondiente al periodo de retorno de 1000 años. Para estimar la socavación general del lecho del tramo evaluado del río Rímac, sin proyecto, se utilizó el caudal de avenida de 578 m3/s, que corresponde al caudal máximo instantáneo para el
35
periodo de retorno de 1000 años, pero con su factor de corrección por las características de las avenidas en el río Rímac. En la estimación de la fosa de socavación a la salida de la poza disipadora (aguas abajo de la presa derivadora), se utilizó el caudal máximo diario correspondiente al periodo de retorno de 1000 años, de 470 m3/s. Este valor del caudal, también fue aplicado para evaluar la capacidad de evacuación de los sedimentos de fondo por el aliviadero de compuertas de la presa derivadora. 3.4.2.2
Sedimentos
En general, la revisión de la información concurrente y disponible confirma que la información sobre sedimentos en la cuenca del río Rímac es escasa y limitada a los sólidos disueltos y en suspensión. El predominio del transporte del material del lecho, deslizamientos y huaycos en la cuenca del río Rímac, sugiere la necesidad de contar con información sobre los sedimentos de arrastre de fondo, principalmente durante el periodo de avenidas por la irregularidad del río Rímac. En base a los datos de los aforos de caudales y las mediciones de sólidos en suspensión, realizados por SEDAPAL durante el periodo de Enero 1994 a Junio 1997, se estimaron los promedios mensuales de sólidos en suspensión como producto de las concentraciones por los caudales medios mensuales del mismo periodo. En los Cuadros 13, 14 y 15 se muestran los valores estimados de la carga mensual de sólidos en suspensión en la Bocatoma de la Planta de Atarjea, en el Puente Huachipa y en el Puente Ñaña, precisando que la Bocatoma Huachipa se localiza a 2.18 km aguas arriba del Puente Huachipa y aguas abajo del Puente Ñaña. Ver Figura 9 del ítem 3.4.3.
36
Cuadro 13 Bocatoma de la Planta Atarjea – Carga de sedimentos en suspensión
(*) Datos de SEDAPAL Cuadro 14 Puente Huachipa – Carga de sedimentos en suspensión
(*) Datos de SEDAPAL
37
Cuadro 15 Puente Ñaña – Carga de sedimentos en suspensión
(*) Datos de SEDAPAL
38
La carga media anual de los sedimentos en suspensión transportados por el río Rímac a la altura de la Bocatoma La Atarjea es de 36,664 ton/año, en el Puente Huachipa es de 32,454 ton/año, y en el Puente Ñaña de 24,441 ton/año. Si la distancia aproximada del río Rímac entre los puentes Huachipa y Ñaña es aproximadamente 9.87 km, la carga media anual de sedimentos en suspensión en el sitio de la Bocatoma Huachipa sería de 30,684 ton/año. Con relación a los sólidos disueltos, la carga media anual de sólidos disueltos (carga de lavado) en la bocatoma Huachipa sería de 324,857 ton/año, es decir en el rango de 328,761 ton/año (Puente Huachipa) y 311,087 ton/año (Puente Ñaña). La carga total de sedimentos (sólidos disueltos y sedimentos en suspensión) media anual en la bocatoma Huachipa, sin considerar la carga de arrastre de fondo, es de 355,541 ton/año. La carga de sedimentos en suspensión representa el 9.45% de la carga de sólidos disueltos. Por lo tanto, la presencia de los sólidos disueltos en el flujo del río Rímac tendría un mayor efecto en la operación de la bocatoma y la Planta de Tratamiento de Agua Huachipa. En la Figura 2.1, se muestra del gráfico de transporte de sedimentos en suspensión para el mes de Febrero (medidos en distintos puntos de muestreo en el río Rímac durante el periodo Marzo 1996 – Junio 1997) reportado por INADE (1998) en el “Plan de Manejo y Estudios de Factibilidad de la Cuenca del Río Rímac”. Este gráfico ha sido adaptado a
nuestro estudio específico, a fin de estimar el caudal de sedimentos en suspensión (ton/mes) que pasa por la bocatoma Huachipa en el río Rímac, obteniéndose el valor de 12,163 ton/mes (aproximadamente el 40% de la carga media anual de sedimentos en suspensión).
39
Figura 8 Transporte de sedimentos en suspensión en río Rímac – B ocatoma Huachipa, durante el mes F ebrero (P eriodo Marzo 1996 - J unio 1997)
El régimen altamente irregular del río Rímac, las características pulsantes de las avenidas durante el periodo de lluvias, y el mecanismo predominante del transporte de sedimentos (particularmente en el tramo de la Bocatoma de Huachipa), sugieren que la formulación de una relación entre los caudales líquidos y sólidos resultaría poco creíble. Los trabajos de campo realizados en el tramo evaluado del río Rímac (inspección de campo, excavación de calicatas, muestreo visualmanual, y análisis de laboratorio de los materiales del lecho), permitió establecer las curvas granulométricas globales del material del lecho (Anexo B.2 – Resultados de laboratorio) y la curva granulométrica representativa del material del lecho para fines del presente estudio (Anexo B.1). La carga anual de los sólidos de arrastre de fondo y la carga total de sedimentos correspondiente al periodo de retorno de 1000 años, fueron cuantificados en el ítem 3.4.3, aplicando los métodos y fórmulas aplicables a los ríos con lechos de materiales gruesos y pendiente pronunciada, como es el caso del río Rímac.
40
