PORQUE ES NECESARIO LA CONSTRUCCION DE UN EMBALSE
PARA SATISFACER SATISFACER MUL M ULTIPLES TIPLES DEMANDAS
TOMANDO EN CUENT CU ENTA A LAS VARIABLES
TIEMPO
ESPACIO GEOGRAFICO
CANTIDAD
CALIDAD
OBRA HIDRAULICA
USO
PARA APROVECHAMIENTO
Almacenar y retener las aguas en momento de exceso con el fin de usarlas en épocas de déficit.
PARA PROTECCION
Encauzar las aguas y transportarlas a sitios en los que no genere daños.
SITUACION ACTUAL DEL SISTEMA EL FALCONIANO
DIVIDIDO EN TRES SUB-SISTEMAS
Sub-Sistema el isiro Características del Embalse El Isiro:
Sub-Sistema Hueque-Barranca Características del Embalse Hueque:
Sub-Sistema Hueque - Barrancas Características del Embalse Barrancas:
•Fecha de inicio Operac: 1.965 •Tipo de Presa: Tierra Zonificada •Cota N. Máximo (m.s.n.m.): 67 •Cota N. Normal (m.s.n.m.): 65 •Cota N. Muerto (m.s.n.m.): 46,07 •Cota Mín. de Oper. (m.s.n.m.): 51,43 •Volúmen Máximo (MMm3): 193 •Volúmen Normal (MMm3): 157,5 •Volúmen Muerto (MMm3): 11 •Tipo de Aliviadero: Libre Rectangular •Cota Cresta Aliv. (m.s.n.m.): 65 •Descarga Máxima (m3/seg): 180 •Obra de Toma: Torre Toma
•Fecha de inicio Operac: 1.994 •Tipo de Presa: Tierra Zonificada •Cota N. Máximo (m.s.n.m.): 217,07 •Cota N. Normal (m.s.n.m.): 216,4 •Cota N. Muerto (m.s.n.m.): 190,5 •Cota Mín. de Oper. (m.s.n.m.): 190,5 •Volúmen Máximo (MMm3): 90,56 •Volúmen Normal (MMm3): 86,76 •Volúmen Muerto (MMm3): 5 •Tipo de Aliviadero: Vert. Frontal •Cota Cresta Aliv. (m.s.n.m.): 216,5 •Descarga Máxima (m3/seg): 123 •Obra de Toma: Torre Toma Sumerg.
•Fecha de inicio Operac: 1.979 •Tipo de Presa: Tierra Zonificada •Cota N. Máximo (m.s.n.m.): 255,64 •Cota N. Normal (m.s.n.m.): 254,5 •Cota N. Muerto (m.s.n.m.): 227,26 •Cota Mín. de Oper. (m.s.n.m.): 227,26 •Volúmen Máximo (MMm3): 148,21 •Volúmen Normal (MMm3): 145,14 •Volúmen Muerto (MMm3): 27,50 •Tipo de Aliviadero: Vert. de Cimacio •Cota Cresta Aliv. (m.s.n.m.): 254,5 •Descarga Máxima (m3/seg): 2,92 •Obra de Toma: Torre Toma
CONSIDERACIONES QUE SE DEBEN TOMAR EN CUENTA EN LOS SISTEMAS DE EMBALSES
Seleccionar la mejor alternativa de diseño posible
Definir la operación del sistema seleccionado Optimizar el aprovechamiento de agua disponible según los siguientes criterios
Objetivos del desarrollo
Preferencias asignadas a los usuarios
TECNICAS DE ANALISIS DE SISTEMA PARA DEFINIR LAS REGLAS OPERACIÓN DEL EMBALSE
MODELOS “USOS”
OPTIMIZACION
SIMULACION
CURVAS DE MASAS Y MOVIMIENTOS DE EMBALSES
EXPERIENCIA: REGLAS DE OPERACIÓN DE UN EMBALSE. (PEDREGAL ESTADO FALCON) Problemas durante la desviación Fue desviado en 1977 por un conducto de concreto armado, blindado interiormente con una tubería de acero de 1.85m de diámetro. Dicho conducto fue diseñado para ser utilizado como descarga de fondo permanente (aliviadero primario). •
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EXPERIENCIA: REGLAS DE OPERACIÓN DE UN EMBALSE. (PEDREGAL ESTADO FALCON) Problemas durante la desviación La desviación se hizo con un sistema de ataguía, conducto diseñado por un periodo de retorno de 15años. El 30 de noviembre de 1977 la entrada del conducto se bloqueo completamente con palos y sedimentos de la cuenca y de algunos restos de arboles que no fueron bien quemados durante la deforestación, lo cual origino el desborde de la ataguía. •
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EXPERIENCIA: REGLAS DE OPERACIÓN DE UN EMBALSE. (PEDREGAL ESTADO FALCON) Problemas durante la desviación •
Para destapar el conducto se usaron cargas de profundidad. El agua comenzó a fluir libremente.
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Desde este incidente hasta la puesta en servicio en 1978 no se registraron inconvenientes lo cual indica que no es conveniente colocar rejas en las entradas de los conductos durante la desviación.
EXPERIENCIA: REGLAS DE OPERACIÓN DE UN EMBALSE. (PEDREGAL ESTADO FALCON) RESULTADOS DE LA OPERACION A partir del año 1982 por razones que se desconocen, se dio instrucciones de cerrar completamente la válvula de cono, la cual permaneció así por un año. A mediados de 1983, por presión de los regantes se procedió a abrir la válvula, la cual se encontraba completamente llena de barro solidificado. A finales de 1988 (10 años de funcionamiento), el embalse quedo totalmente sedimentado y fuera de servicio. A mediados de 1990 se intento destapar la descarga de fondo colocando explosivos pero todo fue inútil. •
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DESARROLLO DEL MODELO DE SIMULACIÓN PARA LA OPERACIÓN DE EMBALSES. 1.
IDENTIFICACIÓN DEL SISTEMA REAL: Descripción fiel de los componentes constituidos por ambientes o factores de control de los fenómenos cuya ocurrencia asegura el funcionamiento del sistema. ¿Por que es importante identificar detalladamente el sistema real? Resp. La mayoría asume el sistema conceptualizado, como sistema real; lo cual no permite definir alcances y limitaciones del modelo y trae como consecuencia la dificultad de valorar la conceptualización de los fenómenos y sus factores de control, impidiendo la posibilidad de mejorar el modelo mediante una mejor conceptualización de una realidad ignorada.
COMPONENTES DE UN SISTEMA REAL.
EMBALSES
OPERADOR DE EMBALSES
USUARIOS
OBRAS CONEXAS
CAUCES
COMPONENTES DE UN SISTEMA REAL a)
Embalse: Lago artificial donde se almacenan los excesos de agua durante los periodos de mayor escorrentía para proporcionarlo en los periodos secos o simplemente impedir daños aguas abajo. El volumen aumenta mediante interacción con la atmósfera (precipitación directa), sobre el espejo de agua y se ve reducido al escapar vapor de agua hacia la atmósfera.
b.)
Obras anexas al embalse: elementos físicos del sistema interrelacionados al componente embalse.
b.1) Obra de toma: Estructuras ubicadas dentro del embalse o en la cara aguas arriba de la presa, para extraer el agua desde el lago a lugares fuera del cauce donde sea requerida. b.2) Obras de descarga: Aberturas de descarga situadas más debajo de la cresta del aliviadero, para aliviar el embalse a través o por los lados de la presa. (Ejemplo: descarga de fondo o medio fondo.) b.3) Aliviadero: puede ser un vertedero, conducto, túnel, canal u otra estructura diseñada para permitir descarga del embalse. Descargar caudales de las crecientes, pero también descargar aguas para otros usos. b.4) Compuertas y Válvulas: Dispositivo para controlar el gasto en obras de toma, de descarga y aliviaderos. Compuertas en hojas de tambor suben o bajan y las válvulas colocadas en conductos circulares cerrados. Son medios físicos mediante los cuales el operador del sistema controla las entregas desde el embalse y en algunos caso las entradas. b.5) Elementos de conducción: Son los conductos confinados, tuberías, túneles o canales artificiales que sirven para conducir el agua desde el embalse hasta los puntos donde sea requerida.
c.)
Cauces: Canales naturales a través de Los cuales se mueve el agua.
C.1) Obras De derivación: Captación de volúmenes de agua desde el cauce hasta aun punto fuera de el. (Es como la toma en el embalse). C.2) Puntos de descarga: Lugares dentro de los cauces donde son vertidas aguas previamente usadas.
d) Usuarios: Componente para el cual se realiza la operación de embalse. Poseen características propias (subsistema autónomo), el fenómeno importante es la demanda del usuario. Ente o actividad que requiere del agua almacenada en el mismo, o de su espacio físico vacío.
PRINCIPALES USUARIOS DEL SISTEMA Desarrollo Urbano : Consumo domestico, comercial, industrial, etc. Cp: cantidad, calidad, propiedades físicas, olor, sabor, color, turbidez y dureza
Desarrollo Industrial: Los grandes consumos: metales primarios, química, pulpa y pales, alimentos, termoeléctricas. Cp: cantidad y calidad en términos de su temperatura y presencia de químicos indeseables.
Control y crecientes de polución: El operador decide las descargas
USUARIOS
necesarias para mantener un nivel compatible en los requerimientos de mitigación de crecientes
Navegación – recreación (fauna y flora ): El operador descarga el cauce para aumentar el caudal navegable, mantienen el nivel del embalse para minimizar fluctuaciones. Energía Eléctrica: A través de la turbina la energía hidráulica se transforma en mecánica.
Agricultura: Zonas agrícolas, el agua es conducida para luego ser controlada por el operador del subsistema agrícola
e) Operador: Componente de control del sistema de operación de embalse. Decide a que usuarios se destinan las entregas del embalse. En caso en que las demandas no vengan en términos de volumen de agua, nivel de embalse ni volumen vacío, el operador debe realizar la conversión de la demanda en términos de agua antes de proceder a determinar las entregas.
a) Procesos de almacenamiento
CONCEPTUALIZACION DEL SISTEMA
a) Procesos de transferencia a) Procesos de control
Reglas de operación.
Ubicación y tipos de usuarios.
•
Limitaciones físicas y operaciones del sistema, capacidad de la conducción, nivel mínimo de operación, capacidad de la planta
•
Escala de prioridad para entregarles a los usuarios.
•
USUARIO
DEMANDA
Control de creciente
Embalse vacio (amortiguar las crecientes).
Recreación
Embalse lleno.
Abastecimiento directo de agua
Llenar el embalse en épocas de lluvias y liberar en épocas de sequias
Generación de energía eléctrica.
Llenar el embalse en épocas de lluvias y liberar en épocas de sequias.
PROCESOS DE INTERPRETACION DE LA DEMANDA
Análisis de los datos de demanda del usuario para estimar, en unidades de agua, su demanda neta el embalse
Casos de interpretación de la demanda: 1.
La demanda no es dada en unidades de agua: Hacer conversión.
2. El usuario recibe agua, de una fuente diferente al embalse: Interpretar demanda
Demanda neta = Demanda total – Fuente 3. El usuario recibe agua o desechos sólidos que afectan la calidad del agua: Interpretar demanda: Aportando la cantidad de agua necesaria para mantener el nivel polución por debajo del nivel critico definido. 4.
El usuario re-usa el agua que otro usuario recibió del embalse: interpretar demanda: se debe estimar la cantidad de re-uso para restarla de la demanda total del usuario y así obtener la demanda
sobre el embalse: Demanda neta = Demanda total – Cantidad de re-uso.
2. SUBDIVISION DEL SISTEMA EN ZONAS HOMOGENEAS 3. SELECCIÓN DE UNA ESCALA DE TIEMPO.
Volumen útil. Volumen muerto.
Sencillez de la aplicación del modelo
Depende de: 1. Propósito de uso. 2. Escala de tiempo escogida. 3. Datos y recursos disponibles.
Se excluyen los siguientes procesos:
4. IDENTIFICACION DE LOS PROCESOS RELEVANTES
1. Calidad del agua. 2. Infiltración y exfiltracion. 3. Almacenamiento en el cauce. 4. Almacenamiento en la atmosfera. 5. Almacenamiento en la cuenca. 6. Almacenamiento en el subsuelo. 7. Descargas de vertidos que hacen los usuarios al cauce. 8. Las entregas por obras de derivación desde el cauce. 9. Los trasvases. 10. Procesos en los cauce aguas abajo del embalses.
5. FORMULACION MATEMATICA DE LOS PROCESOS. 6. ESTRUCTURA DEL MODELO. 7. SOLUCION DEL MODELO. 8. ANALISIS DE SENSIBILIDAD DEL MODELO. 9. CALIBRACION, VERIFICACION, VALIDEZ Y DEL MODELO
OPERACIÓN DE EMBALSES
QUE ES EL SWMM 5.0 SWMM: Strom Water Manangement Model
Modelo de gestión de aguas pluviales Desarrollado por la agencia de protección del medioambiente (EPA), de los estados unidos. Modelo numérico que permite simular el comportamiento hidráulico e hidrológico. Características Hidráulicas
Características Hidrológicas Simular proceso lluvia - escorrentía en la cuenca en estudio. Calculo de la infiltración hacia los estratos no saturados del suelo. Acumulación y fusión de nieve sobre la cuenca. Evaporación desde superficies de agua. •
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Simular propagación del flujo en redes de tamaño ilimitado y tipo de arborescentes o malladas. Modelar elementos especiales: depósitos de retención, estaciones de bombeo, vertederos, entre otros. Uso de onda Cinemática u Onda Dinámica como métodos de propagación del flujo en la red de drenaje. •
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OPERACIÓN DE EMBALSES
La operación de un embalse tiene como finalidad evaluar el funcionamiento del mismo para una secuencia hidroclimatica dada, una estructura de demanda y unas reglas de operación definidas
Se inicia con la aplicación de la ecuación fundamental de la hidrología: ENTRADA - SALIDAS = ± ΔS Considerando los procesos, puede escribirse como: P + Qa – E – Qs = ± ΔS Donde: P: Precipitación sobre el espejo de agua del embalse. Qa: Caudal afluente al embalse o aporte del rio. E: Evaporación desde el espejo de agua . Qs: Caudal efluente del embalse.
Pasos a seguir para la operación de embalse, cuando se realiza la operación de embalse se produce un cambio en el almacenamiento, por lo que se debe determinar el volumen final de cada mes por medio de la siguiente ecuación. Vf = Vi + VQA + VP – VE - VQS
Para calcular el VF se debe realizar un tanteo de la siguiente forma: 1. Se determina el Vf, sin tomar en cuenta la precipitación, ni la evaporación. 2. Se obtiene de la curva altura- área-capacidad, el área al inicio y al final del mes, para calcular el área promedio en dicho mes. 3. Se determina el Vf, tomando en cuenta la precipitación y la evaporación. Luego se comparan los Vf calculados en los pasos anteriores, si son iguales ese es el volumen al final de mes y sino se vuelve al paso nº2.
También debe considerarse que: Si Vf > Vnivel norma entonces Alivia Vi = Vnivel Normal Si Vf < Vminimo entonces Déficit Vi = Vminimo de operación
PROBLEMAS DE APLICACION PROBLEMA Nº1: Se desea conocer para un año determinado la operación de un embalse de capacidad total de 400millones de m3 y util de 360millones de m3, se sabe que existe un trasvase constante de otro embalse y que al comienzo del año el volumen total embalsado es de 250millones de m3. Las perdidas por infiltraciones son despreciables, de acuerdo a los datos que se muestran determine: A) El volumen mínimo de operación. B) Meses en que el embalse se seca. C) Volumen que debe ser racionado en los meses secos. D) Meses en los cuales el embalse alivia. E) Volumen de agua aliviada. F) ¿Qué opinión merece el buen funcionamiento del embalse para el periodo estudiado?.
Mes
V (inicial)
Aportes del Rio
Trasvase
D (Abastecimiento)
D (Riego)
P (mm)
E (mm)
Enero
250
50
20
45
80
20
192
Febrero
40
20
45
110
0
181
Marzo
33
20
45
70
0
205
Abril
32
20
45
0
40
210
Mayo
58
20
45
0
62
200
Junio
108
20
45
0
116
190
Julio
193
20
45
0
130
168
Agosto
130
20
45
0
145
192
Septiembre
85
20
45
0
120
185
Octubre
100
20
45
0
133
180
Noviembre
52
20
45
0
81
182
Diciembre
40
20
45
65
60
181
CURVA AREA CAPACIDADES “OPERACIÓN DE EMBALSE”
Área (Hectáreas)
Capacidades MM3
200
44
280
69
440
122
520
147
745
223
905
247
1126
380
1150
400
PROBLEMA Nº2: En una cierta región se tiene un embalse destinado al abastecimiento de una población y el riego de ciertas parcelas. Se desea determinar cuanto es el abastecimiento en m3, durante el mes de noviembre si para dicho mes se conto con los siguientes datos: AB: 3000mts BC: 5000mts N1: Nivel del embalse al principio del mes de noviembre = 200mts. N2: Nivel del embalse al final del mes de noviembre = 199.50mts. Q1: Caudal medio en el rio 1 = 1m3/seg Q2: Caudal medio en el rio 2 = 3m3/seg Q3: Caudal medio para riego = 2m3/seg V4: Abastecimiento para la poblacion = ? Precipitación = Evaporación = 0
Figura nº1
PROBLEMA Nº3: Se tienen un embalse para abastecimiento y riego. Se sabe que en el mes de abril, el embalse presenta una altura de 16mts; al final del mismo mes la altura había descendido hasta los 12mts. Si durante el mes de referencia no se presentaron precipitaciones sobre la superficie del embalse y los caudales de entrada y salida, riego y abastecimiento variaron según los gráficos que se muestran. Determinar la lamina evaporada en metros.?
Grafico Nº1 Caudal de entrada
Grafico Nº3 Caudal de Riego Grafico Nº2 Caudal de Salida
Grafico Nº4 Caudal de Abastecimiento
PROBLEMA Nº4: El embalse que se muestra en la figura Nº1, esta destinado para dos usos específicamente. Uno de ellos, es abatsecer a cierta población y el otro uso es la irrigación de 20 hectáreas de maíz. Se desea determinar la demanda de riego en Lts/seg/hectareas. El embalse trasvasa mensualmente 22.70MM3 hacia otro embalse. El volumen de escorrentía que ingresa al mes de 0.5MM3. La precipitación mensual es de 100mm La evaporación mensual es de 150mm Se extraen para abastecimiento de una población 8m3 El nivel de aguas en el embalse al inicio del mes es de 30mts El nivel de aguas en el embalse al final de mes es de 20mts.
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Figura nº1
