5. TRANSPORTE DE SEDIMENTOS Y VOLUMEN MUERTO DEL EMBALSE EMBALSE 5.1
Generalidades
La cuenca del río Yauca tiene una extensión total de 4,312.3 km2. La cuenca húmeda tiene una extensión total de 2387,4 Km2 y está comprendida entre los 2800 msnm (parte inferior de la zona de riego de Chumpi) y la parte más alta de la cuenca (5050 msnm), con una precipitación media anual de 150 a 700 mm. Entre 3400 y 5050 msnm está localizado el reservorio Ancascocha el cual actualmente regula una cuenca de 268,1 Km2, caracterizada por su fisiografía de ladera de montaña colinosa con pendiente predominantemente menor a 15%, relieve ondulado suave y planicies en la parte baja inmediata al río Sangarará. Uno de los principales problemas de las presas como Ancascocha, construidas cerrando el cauce principal de las cuencas reguladas, es la sedimentación del embalse. Problema que se ha presentado fundamentalmente en los embalses construidos en la la costa, costa, donde donde la condición de desierto desierto impide la existencia existencia de vegetación protectora del suelo y el suelo mismo tiene una estructura suelta y textura fácilmente erosionable, especialmente cuando se presentan lluvias extraordinarias. En el caso de la cuenca del Embalse Ancascocha, los problemas de erosión y sedimentación son menos severos porque en ella predominan suelos cubiertos por vegetación natural, que los hace resistentes a la erosión y la pendiente de los suelos de la cuenca son de pendiente moderada a baja. El clima de la cuenca regulada por la presa Ancascocha está influenciado principalmente por la orografía y la altitud, donde las precipitaciones son estacionales, el 85% se presenta durante los meses de verano (enero – Marzo), durante los meses restantes del año normalmente no llueve, la humedad relativa del aire se mantiene con valores altos (aproximadamente 90%) en el flanco Oeste de la Cordillera Occidental y valores bajos de en la zona de Ancascocha y áreas adyacentes. Las temperaturas, especialmente en los meses de invierno, presentan una fuerte variación entre el día (más de 10°C) y la noche, por debajo de -15 °C. Por lo tanto, el modelado de la zona está íntimamente ligado al factor climático. Los procesos geodinámicos se dan con mayor énfasis en los periodos de avenidas, y los procesos de crioclastia en periodos invernales. invernales.
5.2 Geomorfología General de la Cuenca De acuerdo a las características del relieve topográfico, en el que juegan un papel importante la diferencia de altura, la estructura geológica, la litología y el clima, se han distinguido en la cuenca las siguientes unidades geomorfológicas: geomorfológicas:
a) Cadena Andina Localizada entre los 3,200 y 4,500 msnm, constituida por una cadena de colinas onduladas con dirección NO, modeladas por agentes erosivos, originando así un relieve poco accidentado y sedimentos cretáceos bastante plegados que afloran a lo largo de esta cadena. Las mayores altitudes de esta unidad geomorfológica son los cerros Achataihua (4,500 m.), Ayayaucho (4,268 m.), Puñuchia (4,210 m.), Quillaco (4,157 m.) Nailoma 4,045 m.), y Trancas (3,980 m.). 75
b) Pampa de Parinacochas Localizada entre la cadena andina y la zona volcánica, con una altura promedio de 3,300 msnm, su relieve superficial es casi plano y de suave inclinación hacia el oeste. Ha sido formada por la acumulación de depósitos lacustres, aluviales y de material volcánico dentro de una cuenca cerrada. Las pampas de Parinacochas y Llamoc forman parte de esta unidad. c) Lomadas Andinas Con este nombre se ha designado a la unidad situada en el sector nororiental del área, formada especialmente por rocas volcánicas tales como tobas, brechas, aglomerados, lavas y cenizas. Su relieve topográfico no es muy accidentado, constituido por pequeños cerros de pendiente moderada y de cumbres onduladas. Las partes más bajas promedian los 3,500 msnm. y las cumbres los 4,200 msnm. estando formadas las primeras por pampas resultantes de lagunas pequeñas y antiguas, ahora rellenadas por materiales aluviales; como las pampas de Breapampa, Huancayachi, Sayhua y Chaquicocha. Los cerros más importantes son Peste, Torpuya, Sacsa, Cruz Pata y Huaillahuasi, los cuales se hallan sobre los 4,000 msnm. Los principales derrumbes identificados en la cuenca regulada por la presa Ancascocha, se encuentran ubicados principalmente en las márgenes de los tributarios del río Palcca o Huayco, aguas arriba de la laguna Ancascocha (8352707 N y 622321 E), estos derrumbes aportan material suelto al cauce principal del río los cuales son transportados posteriormente a la laguna y producen colmatación. Geomorfológicamente, la zona del embalse se caracteriza por el desarrollo de áreas de erosión – denudación y en oposición se presentan las depresiones inter montañosas de erosión y acumulación. El relieve de colinas suaves está localizado entre los 3,400 y 3,500 msnm, con divisorias de aguas casi planas, tienen pendientes estables (25° a 35°) y generalmente cubiertas por depósitos cuaternarios de potencia variable, en cuya superficie existe una escasa capa vegetal (0.20 a 0.60 m de espesor). Las áreas de afloramientos de andesitas presentan relieves más irregulares con crestas elevadas y angulosas. En esta unidad geomorfológica los procesos de erosión son moderados a lentos y los terrenos son utilizados para el cultivo y como canteras de material fino. Las quebradas y zonas bajas, presentan materiales sueltos en contacto con el agua, el proceso de erosión es mayor favorecido por la acción de la gravedad, la escorrentía y otros agentes que socavan la base de los taludes.
5.3 Métodos para estimar la producción de sedimentos Existen una serie de metodologías para estimar la producción de sedimentos en una cuenca, las cuales se agrupan en: Métodos basados en medición directa y Métodos basados en cálculos por modelación matemática. Estos últimos a su vez se dividen en métodos empíricos, estocásticos y de simulación de procesos físicos. De acuerdo a la disponibilidad de información (estudios anteriores) y características geomorfológica de la cuenca, para la estimación de la producción de sedimentos de la cuenca regulada por la Presa Ancascocha se ha utilizado el método de la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo USLE.
La Ecuación Universal de Pérdida de Suelo (USLE) La Ecuación Universal de Pérdida de Suelo (USLE) es el modelo matemático más usado en la estimación de la pérdida de suelo debido a erosión laminar y en canalillos. La ecuación ha sido empleada especialmente en los E.U.A. desde 1959. Debido a que 76
la USLE fue desarrollada para una zona específica mediante el análisis estadístico de las pérdidas de suelo por erosión en lotes experimentales. Para 1958 Wischmeier propone una manera de estimar el factor de erosividad debido a la lluvia a partir de la energía cinética y la intensidad de la lluvia (Colotti, 2004). Mientras que en 1959 el mismo autor Wischmeier en conjunto con Smith luego de combinar la erosividad de la precipitación (R), la erosionabilidad del suelo (K), la topografía (1S), la cobertura vegetal del terreno (C) y las prácticas de conservación de suelo (P) de los datos del NRSL llegaron al desarrollo de la Ecuación Universal del Pérdida de Suelo (USLE). La cual expresa la cantidad de pérdida de suelo por peso por unidad de área (A) (Wischmeier y Smith, 1965). A = R K LS C P La ecuación se le denominó erróneamente universal puesto que integraba los factores para toda la región del Cinturón de Maíz de los E.U.A, generalizada para el Este de las Montañas Rocallosas. Debido al éxito de la ecuación se mejoraron los factores para 1965 (Wischmeier y Smith, 1965). La ecuación fue revisada en 1978 por parte de los mismos autores, donde realizaron ajustes en la forma de obtener los parámetros. Trece años pasaron desde 1965, por lo que contaron con un mayor número de registros y mejores herramientas de cálculo.
Descripción La USLE se desarrolló como un método para predecir la pérdida de suelo anual promedio para erosión laminar y canalillos. Con los parámetros disponibles, se pueden diseñar alternativas de manejo y de cultivos para una región dada para (Figueroa et al., 1991): 1. Predecir pérdida anual de suelo promedio de un terreno. 2. Seleccionar sistemas de manejo de cultivos y prácticas de conservación. 3. Predecir los cambios en pérdida de suelo que ocurrirán al darse un cambio en prácticas de cultivo. 4. Estimar la producción de sedimentos de una cuenca. La expresión general de la USLE, depende de seis factores. Cada factor describe un elemento que interviene en la pérdida de suelo y para cada uno existe una metodología para su cálculo, descritos a continuación.
Factor de erosionabilidad debido a lluvia (R) Una de las mayores diferencias entre la USLE y sus antecesoras es la incorporación del factor R de una manera precisa que varía dependiendo de la lámina de lluvia que se tenga por tormenta y su intensidad. Las investigaciones de Wischmeier mostraron que cuando varía la lluvia y el resto de los factores (K, L, S, C y P) permanecen constantes, la pérdida de suelo es directamente proporcional a la energía cinética de la tormenta (E) multiplicada por su intensidad máxima en 30 min (I30) (Wischmeier y Smith, 1978). Según Roose (1995) R = 1.73 * 0.5 * P Donde P = Precipitación media anual 77
La precipitación anual en la cuenca varía de 229,2 mm a cerca de 898,7 mm, con una marcada estacionalidad en los meses de Enero hasta mediados de Abril en el cual se presentan las mayores precipitaciones, con alta intensidad. Para las condiciones del proyecto, (precipitación media anual de 532,7 mm), El índice de erosión pluvial o Factor R=460,8.
ÍNDICE DE EROSIONABILIDAD DEL SUELO: FACTOR K. El valor de este parámetro fue establecido mediante una evaluación de la fisiografía de la cuenca, con la ayuda de la carta topográfica nacional, las cartas geológicas disponibles, la evaluación de pendientes de la cuenca y fotografías satelitales, identificándose cuatro condiciones de suelo, para cada uno de los cuales se ha estimado un valor al facto K referencial en base a la metodología propuesta por Weischmeier y Smith que se presenta en la Figura Nº 5.1. Finalmente un valor promedio ponderado para toda la cuenca en función del área, como se detalla a continuación: Suelos estables: presente en una parte importante de la cuenca (aproximadamente 20%), principalmente en la zona baja de menor pendiente, involucra los mayores establecimientos de pastos. Predominando suelos franco arenoso, estructura granular, profundidad superior a los otros tres: 0 –40 cm, permeabilidad moderada, por consiguiente la velocidades que puede alcanzar el escurrimiento son bajas (K=0.052).
Suelos con desprendimiento de rocas, se presenta en una zona reducida (aproximadamente 5%), correspondiente a los depósitos coluvio aluviales y morrenas, en ella existe la posibilidad de desprendimiento de masas de suelo, los taludes son fuertemente inclinados. También se encuentra zonas con rocas desnudas y otras con material volcánico. con permeabilidades bajas. La profundidad del suelo es del orden de 0 – 20 cm. (K = 0.044) Suelos sin desprendimiento de roca, esta formación está presente en la mayor parte de la cuenca (aproximadamente 70%), presenta zonas medianamente estables conformados por suelos coluvio aluviales, con permeabilidad baja-moderada. La profundidad del suelo varia de 0 – 25 cm (K = 0.030). Área de Nevado, está presente en una zona muy reducida de la cuenca (aproximadamente 5%), presenta zonas con restos de morrenas glaciares, así como rocas ígneas y materiales clásticos, y en algunas zonas con suelo fino superficial, permeabilidad moderada, profundidad de suelo baja (0 –10 cm). (K=0.040)
El valor de este parámetro K, para toda la cuenca regulada por la presa Ancascocha, sería: K= 0,0358
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Figura Nº 5.1 Nomograma para estimar el Facto K (Wischmeier y Smith, 1978)
PENDIENTES Y FACTOR LS El factor topográfico (LS) se refiere al declive o pendiente de la cuenca, la zona de estudio presenta un amplio rango de pendientes. La mayor parte (80% del área), la pendiente es menor a 15% y en un 20% la pendiente varía entre 15 y 35% de pendiente, El cauce principal tiene una pendiente media de 5%. Calculo de LS por Método Wischmeier (1982) Para pendientes menores a 9% LS= ((/22,1)0,3) . ((0,43+0,30S+0,043S2)/6,613) Para pendientes iguales o mayores a 9% LS = ((/22,1)0,3) . ((S/9)1,3) = 33 000 m
S = 3,15 % LS = ((33 000/22,1)0,3) . ((0,43 + 0,30x3,15 2)/6,613) LS = 4,582
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FACTOR C COBERTURA DE SUELO La cobertura vegetal cumple un papel muy importante en el equilibrio ecológico y sus características se resumen en los siguientes:
La cubierta vegetal, intercepta la lluvia, disminuyendo la acción erosiva de la gota de lluvia. La estructura del suelo y su porosidad son mejorados por la presencia de las raíces de la vegetación especialmente de los arbustos y árboles. Las raíces permiten dar mayor estabilidad al suelo.
Teniendo como información la foto satelital LANSAT, se estima que entre noviembre y junio el 90% del área se mantiene vegetada y el 10% restante escasamente vegetada a desnuda. El resto del año el área verde disminuye en densidad y superficie (aproximadamente 70%) y las áreas sin vegetación o escasamente vegetada se eleva a 30% de la superficie. De conformidad con el cuadro Nº 5.2 y para las condiciones del proyecto en los meses de Noviembre a junio, el valor C corresponde a la situación de cobertura de 90% con plantas herbáceas y Matojos, sin descomponer, para un recubrimiento de 75%, se obtiene un C=0,011 y para el resto del año el 70% se mantiene vegetada, en este caso C=0,038; por consiguiente el valor promedio anual sería C= 0,025 Cuadro Nº 5.2 Factor Cobertura de suelo (C) de USLE (Wischmeier y Smith, 1978)
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FACTOR PRÁCTICAS DE CONSERVACIÓN DE SUELOS: P En la cuenca regulada por el reservorio Ancacocha es muy escasa la superficie en la cual exista algún tipo de prácticas de conservación de suelos, por consiguiente de acuerdo a la metodología el factor de conservación de suelo debe tener el siguiente valor F=1,0 (ver cuadro Nº 5.3) Cuadro Nº 5.3
5.4 TASA DE EROSIÓN O PERDIDA DE SUELO EN LA CUENCA EN ESTUDIO: De acuerdo a la metodología de USLE y su variante RUSLE, y los valores asignados a cada parámetro del método, se ha obtenido los resultados que se muestran en el Cuadro N° 5.4.
CUADRO N° 5.4 Factores determinantes de la producción de sedimentos en la cuenca Ancascocha (Calculado según método de USLE y RUSLE, Factor Parámetro determinante Valor Unidad La lluvia como agente erosivo del suelo MJ/ha*mm/hr R 460,8 Erosionabilidad del terreno t/ha. MJ/ha*mm/hr K 0,036 Pendiente del suelo Adimensional LS 4,582 Cobertura del suelo C 0,025 Adimensional Practicas de conservación de suelos P 1,000 Adimensional Superficie de la cuenca 268,1 Km De acuerdo a estos resultados tenemos que la cuenca del Rio Chonta, hasta el punto de cierre con la Presa Chonta proyectada, la producción de sedimentos de la cuenca sería la siguiente: Producción de sedimento anual por Km 2 = 100 (R.K.LS.C.P) =100(460,8x0,036x4,582x0,025x1,00)=190 Tn/Km 2/año Producción de sedimento total por año= 268,1 Km 2 x 190 Tn/Km2/año = 50 939 Tn/año
5.5 DETERMINACION DEL VOLUMEN MUERTO Para el cálculo del proceso de sedimentación y determinación del volumen muerto del embalse Chonta, se ha aplicado la metodología propuesta en el Manual de Ingeniería de Ríos, de la Universidad Autónoma de México
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Distribución del Sedimento dentro del embalse Desde el punto de vista práctico uno de los aspectos más importantes en el problema de sedimentación, es determinar la ubicación del sedimento dentro del embalse, así como su evolución a través del tiempo. Determinar la ubicación del sedimento permite definir las zonas de vaso se tendrá una disminución de capacidad, y por tanto permite prever la magnitud del deño ocasionado. La forma como se distribuye el material sólido en un embalse depende principalmente del tipo de sedimento, características del vaso, políticos de operación y características de las avenidas. Generalmente en los embalses con pendiente bajas, el sedimento se deposita principalmente en la entrada del vaso, en tanto aquellos con pendiente fuerte (tipo encañonado) el depósito ocurre cerca de la cortina o dique. En el caso del reservorio Ancascocha, por ser una laguna natural profunda, con un relieve de fondo muy irregular debido a su origen, la mayor parte del material de arrastre se deposita en la mita superior del embalse llegando muy poco a la zona de descarga, razón por la cual no obstante los 123 años de funcionamiento de la presa actual, la compuerta de salida no ha tenido problemas de operación por acumulación de sedimentos, razón por la cual se llegó a proponer la alternativa de bajar 11 metros el nivel de operación, y así incrementar el volumen útil.
Atrape real de Sedimentos en el Embalse La eficiencia de retención o atrape de sedimento de un embalse, está determinado por el cociente entra la cantidad de sedimentos depositados y la cantidad total de material que llega al embalse. Existen diversos criterios empíricos para su cálculo, tales como los de Brume, Brown, Churchill y Karaushev, de ellos el más empleado es el primero. Criterio de C.B. Brown Empleando los datos de 44 embalses normalmente llenos C.B. Brown estableció una relación entre la eficiencia de atrape y el cociente entra la capacidad total del embalse y el escurrimiento medio anual de la cuenca, ambos en las mismas unidades. En la figura Nº 5.2 se muestra tal relación. Como puede observarse, existe una envolvente superior que corresponde al caso que predomine el sedimento grueso, y una inferior cuando predomine el sedimento fino. Este método permite determinar la eficiencia de atrape de un embalse, en función del área de la cuenca, la capacidad total del embalse y de las características de escurrimiento y del tipo de sedimento. La ecuación propuesta es la siguiente:
Siendo: ER: Eficiencia de atrape (en %) C: Capacidad total del embalse (10 6 m3) A: Área de la cuenca, en km2 K: Coeficiente, que puede tomar los siguientes valores: 0.046 para la envolvente inferior, 0.10 para la condición de embalse lleno y 1.0 para la curva envolvente superior.
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Para el caso del Embalse Ancascocha; se debe considerar la condición de embalse lleno, por tratarse de una laguna y el mayor transporte de sedimentos ocurre cuando la presa está en proceso de llenado o lleno, La capacidad total del embalse (45,31 Hm 3) y el área de la cuenca 268,1 Km 2 y el escurrimiento medio anual 97,33 Hm 3. Aplicando la ecuación antes indicada se obtiene: ER= 98,99% Un valor similar se puede obtener de la figura Nº 5.2 (ER=96%), para fines de presentación se considera el promedio de ambas cálculos, es decir ER= 97,5 %.
FIGURA Nº5.2: CURVA DE RETENCIÓN DE G.M. BRUNE 5.6 Conclusión respecto al volumen muerto
En el cuadro Nº 5.5, se presenta los resultados finales respecto al cálculo de transporte de sedimentos y finalmente el volumen Muerto del Embalse CUADRO Nº 5.5 Sedimentación retenida en el embalse Ancascocha Descripción
Cantidad de sedimentos que ingresa al reservorio (Tn/año) Cantidad de sedimento retenido por el embalse (Tn/año) 97,5% Peso específico del sedimento que ingresa al reservorio (Tn/m ) Volumen de sedimento que ingresa al reservorio (m3/año) Volumen total de sedimentos en 50 años de vida útil (Hm 3) Volumen total de sedimentos en 75 años de vida útil (Hm ) Volumen actual de la laguna Ancascocha que constituye el volumen muerto del embalse proyectado (Hm3)
Sedimentación
50 939 49 665 1,5 33 110 1,66 2,48 17,77
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