ESTUDIO HIDROLOGICO
I.2.1 I.2.1 GENER GENERAL ALIDA IDADES DES:: El estudio hidrológico, se encarga de calcular el volumen de agua a almacenarse en la presa, tomando en cuenta los siguientes estudios: estudios: a) Estudio de las Ofertas de de los Recursos hídricos : Comprende el estudio de la disponibilidad disponibilidad del agua para satisfacer satisfacer la demanda de agua. Se realiza el cálculo del volumen de agua que aporta la cuenca. b) Estudio de la Demanda del Sistema : Comprende el estudio del requerimiento requerimiento de agua con fines de irrigación, irrigación, generación hidroeléctrica, hidroeléctrica, abastecimiento de agua potable, etc. c) Estudio de las Avenidas: Avenidas Comprende el calculo del caudal máximo que pueda ocurri ocurrirr para para difer diferent entes es períod períodos os de retorn retorno, o, y median mediante te el tránsi tránsito to de avenid avenidas as permitirá el dimensionamiento del aliviadero de demasías. d) Estudio de Sedimentos: Sedimentos Permite la estimación del volumen de sedimentos que puede almacenarse almacenarse durante la vida útil de la presa. e) Capacidad Capacidad del Reservorio y Altura de la Presa: Presa Mediante los estudios indicados en los ítems anteriores y realizando el estudio de balance en la presa, se calcula el volumen a almacenarse; almacenarse; asimismo con los datos topográficos del vaso (Curva (Curva Altura
d) NAMO (Nivel (Nivel de Aguas Aguas Máximas Ordinarias Ordinarias o de Operación) Operación) El Nivel de Aguas Máximas Ordinarias o de Operación, es el máximo nivel con que pued puede e oper operar ar la pres presa a para para sati satisf sfac acer er las las dema demand ndas as;; cuan cuando do el vert verted edor or de excedencias (estructura que sirve para desalojar los volúmenes excedentes de agua que que pued pueden en pone ponerr en peli peligr gro o la segu seguri rida dad d de la obra obra)) no es cont contro rola lado do por por compuertas, el NAMO coincide con su cresta o punto más alto del vertedor. En el caso de que la descarga por el vertedor esté controlada, el NAMO puede estar arriba de la cresta hasta e incluso puede cambiar a lo largo del año. Así, en época de estiaje es posible fijar un NAMO mayor que en época de avenidas, debido a que la probabilidad de que se presente una avenida en la primera época es menor que en la segunda. e) NAME (Nivel (Nivel de Aguas Máximas Máximas Extraordinarias) Extraordinarias) El NAME es el nivel más alto que debe alcanzar el agua en el vaso bajo cualquier cond ondición ción.. El vol volume umen que qued ueda entre tre este ste nivel ivel y el NAMO, AMO, lla llamad mado superalmacenamiento sirve para controlar las avenidas que se presentan cuando el nivel en el vaso está cercano al NAMO. f) VOLU VOLUME MEN N UTIL TIL Llamado también capacidad útil, es el volumen que se almacena entre el NAMO y el NAMINO; es el volumen con el que se satisfacen las demandas de agua. g) VOLUMEN VOLUMEN DE SUPERAL SUPERALMACEN MACENAMIE AMIENTO NTO Es la diferencia entre el NAMO y el NAME, sirve para controlar las avenidas que se presentan cuando el nivel en el vaso está cercano al NAMO.
La distinción entre sedimentos sumergidos y aireados es importante pues cada uno ocupa volúmenes diferentes. Los siguientes valores son utilizados por U.S. Soil Conservation Service como una guía cuando no existen mediciones en campo: Tabla I Tamaño de los granos Arcilla Limo Mezcla Arcilla – Limo * Mezcla Limo – Arena * Mezcla Arcilla-Limo-Arena* Arena Grava Arena mal graduada y grava
•
En partes iguales EJEMPLO:
Peso Específico Sumergido kg/m3 480 - 960 880 - 1200 640 - 1040 1200 - 1520 800 - 1200 1360 - 1600 1360 - 2000 1520 - 2080
Peso Específico Aireado kg/m3 960 - 1280 1200 - 1360 1040 - 1360 1520 - 1760 1280 -1600 1360 - 1600 1360 - 1600 1520 - 2080
1.2 Criterio de E.W. Lane y V.A. Koelzer Lane y Koelzer, en base a mediciones en embalses, presentaron una ecuación para estimar el peso específico de los sedimentos depositados, tomando en cuenta el tamaño de las las part partíc ícul ulas as de los los sedi sedime ment ntos os,, la form forma a de oper operac ació ión n del del vaso vaso y el tiem tiempo po transcurrido en años. La ecuación es: W T
=
W 1
+
KLog (T − 1)
Donde: WT : peso específico del sedimento después de T años en el embalse, kg/m 3 W1 : peso específico inicial, usualmente considerado igual al valor obtenido después de un año de consolidación, consolidación, en kg/m 3 K : co consta nstan nte que que tom toma a en en cu cuenta nta la la co consol nsoliidació ación. n. Cuand Cuando o el sedime sedimento nto está está compu compuest esto o por una mezcla mezcla de materi material ales, es, entonc entonces es la ecuación se transforma en: W T
= W 1 X 1 + (W 2 + K 2 Logt ) X 2 + (W 3 + K 3 Logt ) X 3 / 100
Siendo: W1, W2, W3: pesos específicos iniciales para la arena y material grueso (1), limo (2) y
W0 = 1022 kg/m3 WT20 = 1148.2 kg/m 3 WT50 = 1188.7 kg/m 3 1.3 Criterio de C.R. Miller W T
T ( LnT ) −1 = W 1 + 0.4343 K T −1
En el método de Lane y Koelzer, la constante K fue introducida para determinar el peso específico del sedimento depositado, después de un período de operación del embalse. Sin embargo, parte de los sedimentos que se depositarán en el vaso en ciertos T años y los ya existentes en ese período, tendrán diferentes tiempos de consolidación. consolidación. Millar, por integración de la ecuación de Lane y Koelzer con respecto al tiempo, obtuvo el peso promedio de los sedimentos en el embalse de T años de operación, durante los depósitos se acumularon a ritmo uniforme. La ecuación encontrada fue la expuesta anteriormente. Donde:
Tipo de embalse Sedimentos siempre sumergidos Embalses normalmente a considerablemente vacíos Embalses normalmente vacíos
ARENA 0
Valores de K LIMO 91.3
ARCILLA 256.3
0 0
28.8 0
134.6 0
EJEMPLO:
K = 28.8 x0.3 + 134.6 x 0.5
=
75 .94
W 1
= 1552(0.20) +1136(0.30) + 560(0.5)
W 1
=
931.2kg / m 3 ; para T = 1 año
W T
20 = 931.2 + 0.434(75.94) ( Ln 20) −1 19
W T
=
W T
=
966.33kg / m 3 ; para T = 20 años 1030kg / m 3 ; para T = 50 años
CONCLUSION: Se tomará como bueno el promedio de los tres criterios. W 1
=
912kg / m 3 ,
para T = 1 año
W T
=
1057kg / m 3 ,
para T = 20 años
W T
=
1134kg / m 3 ,
para T = 50 años
II. DETERMINACION DE LA APORTACION DE SEDIMENTOS DE LA CUENCA La cuantificación de la aportación de sedimentos de la cuenca, es quizás, el cálculo más importan importante te y a la vez el más difícil, pues aunque aunque se dispone dispone de variados variados métodos métodos y técnicas de estimación, la escasez de datos de muestreo de sedimentos en los cauces obliga a recurrir a una cuantificación cuantificación por métodos indirectos. Cuand Cuando o se dispon disponga ga de una estac estació ión n hidro hidromé métri trica ca cercan cercana, a, que que tenga tenga regist registros ros de sedimentos y se desea utilizar como representativa para el análisis del proyecto en cuestión, deberá tomarse en cuenta que las condiciones hidrológicas de la cuenca sean
Vol. en 1 año = 14921 m 3 1 año
2.1 Relaciones de Langein y S.A. Schumm Estos autores relacionaron la aportación de sedimentos con la precipitación efectiva media anual, definida ésta como la cantidad de lluvia anual requerida para producir un volume volumen n igual igual al escurr escurrimi imient ento o promed promedio io anual anual de la cuenca cuenca.. Se encon encontró tró que que la produ producci cción ón de sedime sedimento ntoss tiene tiene sus valore valoress máximo máximoss alrede alrededor dor de los los 254 a 356 milímetros de precipitación efectiva (ver figura a), decreciendo hacia ambos lados del máximo, en un caso debido a la escasez de escurrimiento y en el otro por el incremento en la densidad densidad de vegetación. Las estaciones estaciones utilizadas utilizadas tuvieron, entre los 25.9 y 129.5 2 km .
La página siguiente contiene una gráfica que relaciona la aportación de sedimentos y el área de la cuenca; la cual fue desarrollada en base a mediciones de varios embalses seleccionados. Ac = 24 km2 Aportación de de sedimentos = 680 680 m3/km2/año Vol. en 1 año = 16320 m 3 2.4 Fórmula Empírica de Namba Se seleccionó esta fórmula empírica porque se considera que las condiciones para las que fue desarrollada son representativas representativas de ésa área geográfica. As
=
0.292 P + 0.474 H − 0.118 F + 2.452
As P H
: aportación de de sedimentos en m 3/km2/año : pr precipitación me media an anual en en mm = 500 mm : des desni nive vell tot total al de las las ele eleva vaci cion ones es de la cuen cuenca ca en ms = 880 880 m
F
: fac factor del suelo desnudo al áre área de suelo cubierto de de vegetac tación, en % = 20
=
25%
Se tomará el valor medio de las aportaciones promedio y máxima Vol. med. en 1 año = 10223.6 m3 2.2 Relación de Langein y S.A. Schumm Vol. en 1 año = 11052 m 3 2.3 Experiencias del U.S. Bureau of Reclamation Reclamation Vol. en 1 año = 16320 m 3 2.4 Fórmula empírica de Namba Vol. en 1 año = 13502 m 3 Conclusión: Conclusión: Utilizaremos el promedio de los cuatro criterios expuestos. Volumen de sedimentos aportados anualmente = 12774 m 3
III. ESTIMACION DE LA EFICIENCIA DE RETENCIÓN DEL EMBALSE
1.0 1.0 0.1
para para la curv curva a envo envolv lven ente te supe superi rior or para la la cu curva de di diseño
La separación entre las dos curvas envolventes, es debida al efecto preponderante de alguno o varios de los otros factores en la eficiencia de retención, pues como el término C/A es una constante, teóricamente dos embalses con igual valor de C/A deberán de tener la misma eficiencia de retención, lo cual no sucede. La curva envolvente superior se recomienda para embalses con alguna de las características siguientes: a) Localizado en regiones de reducido y variable escurrimiento b) De longitud y forma tal que incremente el tiempo de permanencia permanencia del escurrimiento c) Cuand Cuando o el transp transport orte e de materi material al sólido sólido es primor primordi dial almen mente te grueso grueso o altam altamen ente te coagulado. d) Donde las obras de toma y la política de operación sólo liberan pequeños volúmenes de agua del fondo del vaso y el embalse retiene largo tiempo el escurrimiento de las avenidas. Se utilizará la curva envolvente superior, porque se considera que el embalse tiene las 2 primeras características. Con la ecuación anterior obtenemos E.R. = 99.12%
anual (ambos con las mismas unidades), y la eficiencia de de retención. Los resultados de Brune se concentran en la figura (d). Como se observa en dicha figura, se tienen dos curvas envolventes y una central de diseño para embalses normalmente llenos, es decir, el crit criter erio io de Brun Brune e no se debe debe apli aplica carr a emba embals lses es semi semise seco cos, s, de rete retenc nció ión n de sedimentos, o a estructuras de control de avenidas. Posteriormente, el criterio de Brune recibió una adaptación práctica, citada por diversos autore autores, s, como como Szecho Szechowyc wyczz y Qures Qureshi hi los cuales cuales sugie sugieren ren que la curva curva envol envolven vente te superior sea utilizada para sedimento compuesto de partículas gruesas o finas altamente floculadas y la curva envolvente inferior para sedimento de granos finos y coloidal disperso, en cambio la curva central es para sedimentos medios.
Al simular la pérdida de capacidad de un embalse, debido a la sedimentación, sedimentación, teóricamente, la eficiencia de retención, decrecería progresivamente, con la pérdida de almace almacena namie miento nto del vaso, vaso, sin sin embarg embargo, o, no es prácti práctico co anali analizar zar la simul simulaci ación ón para para periodos menores a 10 años, por los errores que pueden inducir. Para efectuar lo anterior se construye una tabulación, cuyas columnas se describen a contin continuac uació ión. n. Utili Utilizam zamos os los los dos criter criterios ios anteri anteriore oress de calcul calculo o de la eficie eficienci ncia a de retención, para efectuar la simulación de pérdida por capacidad. Los datos necesarios son: - Area de la cuenca = 24 km2 - Capac Capacida idad d total total incia inciall (C) (C),, en Hm3 = 1.3 - Escurr Escurrimi imien ento to prom promed edio io anua anuall (E), (E), en en Hm3 = 1.683 - Aporta Aportació ción n anua anuall de sedi sedimen mentos tos (As) (As),, en Ton Ton o M 3 = 12774 M3 - Capacid Capacidad ad final final del embal embalse, se, comúnm comúnmente ente el el 80% de de la capaci capacidad dad total total en Hm Hm 3. Columna 1: Capacidades en Hm 3
Se restan incrementos generalmente constantes a la capacidad inicial, hasta llegar a la capacidad final definida. Columnas 2, 3 y 4: Relaciones C/E, C/A e índice de sedimentación, en nuestro caso no
Columna 10: Años para el llenado. Se dividen los valores de la columna 9 entre los de la
columna 8 y se obtienen los años necesarios para el llenado de cada incremento de capacidad. Se suman los años obtenidos para encontrar el tiempo de vida probable del embalse. Con los valores de la columna 1 y los respectivos valores acumulados de la columna 9 se dibuja una gráfica donde se determina el valor del volumen de sedimentos que estará acumulado (volumen perdido por el almacenamiento), al término de la vida útil del embalse.
SIMULACION DE LA PERDIDA DE CAPACIDAD POR SEDIMENTACION
Nº
1
2
3
CAPACIDAD
R EL ACION
RELACION
C
C /E
C /A
(H m 3 )
4 INDICE DE SEDIMENT.
5 %
0 .7 7 2
0.0 5 4
98 .27
2
1.2
0 .7 1 3
0.0 5 0
98 .18
4
1.0
0 .6 5 4 0 .5 9 4
0.0 4 6 0.0 4 2
0 .5 3 5
0.0 3 8
97 .68
6
0.8
0 .4 7 5
0.0 3 3
97 .3
8
0.6
0 .4 1 6 0 .3 5 7
0.0 2 9 0.0 2 5
10
INC R EMEN TO
AÑOS PARA
DE SEDIMENTOS
DE VOLU MEN
EL L LENAD O
(m 3)
(Hm 3 )
98.23
12548
0.1
7.9 7
98.09
1 2530
0.1
7.9 8
97.92
1 2508
0.1
7.9 9
97.76
1 2488
0.1
8.0 1
97.49
1 2453
0.1
8.0 3
97.23
1 2420
0.1
8.0 5
96.91
1 2379
0.1
8.0 8
96.46
1 2322
0.1
8.1 2
95.21
1 2162
0.2
16.44
TOTAL
80.67
97 .15 96 .67
9
0.5
0 .2 9 7
0.0 2 1
96 .24
10
0.3
0 .1 7 8
0.0 1 3
94 .17
DISEÑO DE PRESAS DE TIERRA
8
97 .84
0.9
0.7
7
97 .99
5
7
9
APORTACI APORTACION ON REAL ANUAL ANUAL (Ton )
1.3
1.1
VAL OR PROM.
(Hm 3 /km 2 )
1
3
6
EFICIENCIA DE RETENCION
ING. CESAR MILLA VERGARA
15