SEDIMENTACIÓN EN EMBALSES
Los problemas ocasionados por los sedimentos son especialmente difíciles en Colombia por causa de las condiciones geológicas, topográficas, meteorológicas, de suelos y vegetación en extensas zonas del país, lo que significa que debe darse gran énfasis a las investigaciones sobre el tema. n varios embalses construidos en Colombia !an ocurrido problemas por efecto de la sedimentación durante operación, que en parte se debieron a la falta de investigaciones adecuadas en la etapa de estudios y preparación de dise"os para las obras. obras.
Para proyectos hidroeléctricos hidroeléctricos se requiere requiere el embalse lleno hast hasta a el máxi máximo mo nive nivel, l, con con el fn de que que prod produz uzca ca la máxi máxima ma cant cantid idad ad de ener energí gía; a; la cual cual se ve aec aecta tada da al disminui disminuirr su capacid capacidad ad debido debido a la carga carga de sedimen sedimentos tos que le llegan !a carga sediment sedimentolo ologica gica del río se ve orzad orzada a a detene detenerr igualmente su marcha, acumulándose en orma de dep"sitos, dep"sitos, hasta hasta que habiendo colmatado colmatado casi la totalidad totalidad del vaso, permite al #u$o adquirir la velocidad necesaria para transportarla sobre la presa %ualq %ualquie uiera ra que sea sea el tama&o tama&o del emba embalse lse o el uso uso fnal fnal que se le dé al agua, agua, la principal principal unci"n de este es la de estabil estabiliza izarr el #u$o de agua, para regular regular el suminist suministro ro en una una cor corrien rientte nat natural ural o para ara sat satisa isace cerr una una varia ariada da demanda por parte de los consumidores VIDA DE UN EMBALSE
's el tiempo que continuara continuara almacenan almacenando do cantidad cantidad (til de agua, se determina por la rapidez con la que se acumula el sedimen sedimento to a&o tras a&o y no se quita del embalse embalse ni por acci"n natural ni por traba$o del hombre Para ara pode poderr dete deterrmina minarr la dism dismin inuc uci" i"n n de la capa capaci cida dad d eectiva eectiva del embalse se necesitan necesitan datos sobre sobre la carga de sedimentos que los a#uentes aportan al embalse )olamente los sedimentos gruesos reducirán esta capacidad; los materiales en suspensi"n se sedimentaran cer cerca de l a pres presa a lo cual cual no in#uy n#uye e dir direct ectamen amentte en la capacidad del embalse
La producción de sedimentos incide directamente sobre el costo de la inversión inicial, al exigir mayores alturas de presa para albergar espacios muertos destinados a la conmutación dado que resulta prácticamente imposible remover los sedimentos por el altísimo costo. ficiencia de retención# La vida $til de un embalse depende de la cantidad de sedimentos que este es capaz de retener% no depende $nicamente, de los sedimentos que son aportados si no también de la proporción de ellos que son retenida. La relación entre la retención y el aporte recibe el nombre de eficiencia de retención.
!a efciencia de retenci"n depende de la velocidad de caída de las partículas que constituyen el sedimento, y del caudal que #uye a través del embalse &un cuando la eficiencia de retención de un embalse disminuye con el almacenamiento progresivo, no es práctico calcular la eficiencia para periodos menores de '( a"os ya que las variaciones anuales en los aportes de sedimentos pueden producir distorsiones en el análisis cuando se usan periodos muy cortos. ALGUNOS CONCEPTOS BÁSICOS.
*aterial de lecho+ 's la mezcla de materiales que componen el lecho de !a corriente ransporte o carga del material de lecho+ 's la parte del transporte total de sedimentos compuesto por tama&os de granos existentes en el material del lecho de la %orriente *aterial fno+ 's el material transportado por la corriente, principalmente en suspensi"n, compuesto por tama&os de granos más peque&os que aquellos que componen él material de lecho ransporte de material fno o carga lavada+ 's la parte del transporte total de sedimento compuesto de granos menores a los encontrados en el material de lecho de la corriente 'n su mayor parte proviene de la -oya hidrográfca
)edimento de ondo+ 's el que se mueve por saltacion, rodamiento, y .eslizamiento sobre o cerca al lecho de la corriente Proviene del material de lecho )edimento suspendido+ 's el que permanece en suspensi"n en la corriente por intervalos apreciables de tiempo, Por eecto de la turbulencia del #u$o 'l sedimento en suspensi"n se compone de *aterial fno y material de lecho en suspensi"n )ona no muestreada# s la distancia desde el lec!o de la corriente !asta el
punto mas ba$o a que puede llegar la boquilla de un muestreador de sedimento suspendido .enudaci"n+ .esgaste progresivo de la superfcie de la tierra como resultado de varios procesos naturales, tales como la meteorizacion, erosi"n, movimientos masivos y acarreo asa de denudaci"n+ 's la tasa promedio de desgaste de la superfcie de la hoya, considerada uniorme en el área, expresada como milímetros de roca por a&o 'rosi"n+ !a erosi"n es el desgaste y remoci"n de tierra y roca por un proceso natural especifco, tal como el #u$o de una corriente asa de erosi"n+ 's la tasa promedia de remoci"n de tierra y roca del terreno por causa de alg(n proceso natural especifco expresada en metros c(bicos por día o a&o o en milímetros por a&o /suponiendo una distribuci"n uniorme sobre la hoya0 !a erosi"n puede ser geol"gica o normal, o sea la que a surido el terreno durante intervalos de tiempo a escala geol"gica por los procesos naturales PROBLEMAS OCASIONADOS POR LOS SEDIMENTOS
Los sedimentos tienen una gran influencia sobre la factibilidad técnica y económica y sobre la operación de proyectos de recursos !ídricos y estructuras !idráulicas. La evaluación precisa de esta influencia se !ace difícil porque normalmente existen limitaciones significativas en la información básica disponible. *e !ec!o, los sedimentos influyen sobre los embalses en varias formas como se indica a continuación
a+ *epositación de sólidos en los embalses con la consiguiente disminución del volumen $til y obstrucción de tomas, estaciones de bombeo, descargas de fondo, etc. ste es el aspecto mas conocido de la acción de los sedimentos en relación con los embalses, que puede resultar muy significativo desde el punto de vista económico, especialmente cuando la operación del proyecto depende en gran medida de la regulación provista por el embalse. b+ Calidad de agua que entra a las torres de toma en cuanto a la concentración y tipos de sedimentos que contiene, lo cual influye sobre la operación de las plantas de tratamiento, desgaste de las conducciones y estructuras y abrasión de la maquinaria !idráulica. c+ *egradación en el curso del río y sus tributarios aguas arriba del embalse con los consiguientes efectos en las tierras, vías, puentes, viviendas y estructuras adyacentes y mayores costos requeridos para los diques. d+ *egradación en el cauce del río debao de la presa por efecto de la descarga de agua con mayor capacidad de arrastre de sólidos, lo que puede ocasionar problemas en la operación de la central !idroeléctrica si es de pie de presa en las vías, tierras y estructuras aguas abao. e+ -mpacto ambiental causado por los sedimentos acumulados en el embalse. ara la evaluación adecuada de los efectos descritos, se requiere contar con estimativos suficientemente precisos del tipo, magnitud y variación del transporte de sólidos por las corrientes de agua que llegan al embalse. &demás, esto es necesario para planear las medidas de control de erosión en la cuenca del embalse y para anticipar los efectos de modificaciones en la !oya sobre la producción de sedimentos. Los problemas ocasionados por los sedimentos pueden llegar a tener influencia significativa sobre la factibilidad económica de un proyecto de aprovec!amiento !ídrico, lo que significa que en tales casos críticos seria necesario estimar la magnitud del transporte con gran precisión. /in embargo, tanto en estos casos críticos como en la generalidad de los proyectos, es frecuente que la información básica sobre el transporte de sólidos sea muy deficiente en cuanto a su calidad, representatividad y duración. l caso general !a sido que cuando va a efectuarse el estudio de factibilidad para un proyecto, no se cuenta con datos de transporte de sedimentos en el sitio de interés y para efectos del estudio, la información disponible es la que se obtiene durante el curso del mismo, normalmente un intervalo de uno a dos a"os. sta situación no es exclusiva de Colombia u otros países en vía de desarrollo sino también de muc!as presas en países desarrollados.
sto indica la dificultad que se tiene para definir la factibilidad de un proyecto, cuando depende fundamentalmente de la apreciación correcta del acarreo de sedimentos al embalse. n otros proyectos el transporte de sedimentos no es el aspecto mas crítico para evaluar su viabilidad, sin embargo, son contenciales los desarrollos de recursos !ídricos cuyos beneficios potenciales y operabilidad no sean afectados por el transporte de sedimento. C&/0 * C0L012-& Las consideraciones anteriores, de índole general, obviamente son aplicables a nuestro país, pero además con algunos factores específicos que complican aun más los procesos de producción y transporte de sedimentos. stos factores son los siguientes# a. 1eteorología# n el país !ay extensas regiones bastante lluviosas si se comparan con otras zonas del mundo. &demás, las precipitaciones normalmente ocurren con fuertes intensidades al comienzo de la tormenta y son frecuentes las sucesiones de aguaceros fuertes a intervalos cortos durante las estaciones lluviosas. La precipitación excesiva es un elemento básico en los procesos erosivos que ocurren en las cuencas !idrográficas. b. 3opografía# l país tiene una porción significativa de su zona monta"osa con preponderancia de desfiladeros, angostos valles, ca"ones y altas monta"as en vez de extensas mesetas. sta característica, combinada con las precipitaciones intensas, contribuye a la generación de crecientes rápidas con altas descargas. c. 4eología# La zona &ndina del país es relativamente oven desde el punto de vista geológico !istórico con la consiguiente inestabilidad de los taludes y ca"ones de los ríos y quebradas. sta misma inestabilidad estimula la formación de grandes depósitos coluvies y aluviales recientes, poco consolidados, que a su vez constituyen importantes fuentes de sedimentos. d. /uelos# Las condiciones meteorológicas de lluvias intensas combinadas con las temperaturas altas y uniformes, típicas de la zona ecuatorial y las clases de rocas en extensas zonas de suelos residuales en dic!as zonas. stos gruesos !orizontes de suelos residuales, normalmente poco co!esivos, constituyen una significativa fuente de erosión, especialmente sí se desestabilizan por las construcciones o la deforestación. e. 2osques# l país !a sido sometido a una intensa y antitécnica deforestación con lo que se !a incrementado la acción de la erosión% gran parte de las tierras deforestadas, incluyendo algunas muy pendientes, se !an dedicado
a cultivos que requieren mantener limpio el terreno o a un intenso pastoreo, lo que favorece aun más la erosión laminar. or otra parte, las actividades de medida, recolección de muestras y mantenimiento de registros de transporte de sedimento !ay sido muy limitada excepto en algunos ríos y durante los $ltimos '( a"os. Con pocas excepciones, los registros se !an obtenido en el curso de los estudios de factibilidad de presas y $nicamente en los sitios de interés. /in embargo, se !an efectuado algunos estudios de tipo general que abarcan toda o parte substancial de la !oya de un río importante. 3odos estos aspectos, o sea las dificultades in!erentes a los estudios de sedimentos, las condiciones especificas del país en lo relativo a la erosión y al acarreo de sólidos por las corrientes de agua y la falta de registros largos y confiables de su transporte, !an limitado el alcance de los estimativos de transporte de sedimento para la mayor parte de las presas construidas anteriormente en Colombia, por lo que en algunas de ellas se !an presentado serias dificultades por esta causa. C&5&C35-/3-C&/ *L /*-1630 78 LL4& &L 12&L/# 9 La distribución granulométrica es importante porque permite asignar un valor de la eficiencia de atrape del embalse, predecir la distribución spacial de sedimentos depositados y predecir el espacio requerido. ara la acumulación de material sólido en un tiempo determinado. 9 La erosión laminar produce sedimento granular fino, la erosión del canal aporta sedimento granular fino y grueso por las altas velocidades del fluo concentrada que mantiene una fuerza trataba mayor, mientras que la erosión eólica produce sedimento limitado o partículas menores de (.:mm de diámetro. n el transporte desde el sitio de su producción !asta el embalse, el sedimento esta sueto procesos de abrasión y selección !idráulica. 9 0tra característica muy importante de determinar es la relación vol.9 peso del deposito, el peso especifica varia con la consolidación, otro factor que afecta el peso especifico es la operación del embalse porque los depósitos de sedimento granular fino suetos al aire desarrollan pesos unitarios más altos que los depósitos constantemente sumergidos. TIPOS DE SEDIMENTACION.
a+ /edimentación de partículas discretas.
Las partículas presentes en suspensiones diluidas ; de baa concentración de sólidos+ sedimentan en forma tal que las interacciones entre las partículas son consideradas despreciables. l análisis matemático de este tipo de sedimentación se realiza desacuerdo las leyes de la mecánica de fluidos de ne
sedimentación
es
muc!o
DISTRIBUCIÓN DE SEDIMENTOS EN EMBALSES: !a depositaci"n depende de varios actores como la naturaleza del sedimento, las relaciones de entrada y salida del agua, la orma del embalse y su operaci"n 'l movimiento de sedimentos en un embalse esta gobernado por 1 uerzas dinámicas 20 3na componente en la direcci"n del #u$o debida al movimiento del agua , 10 una componente vertical debida a la gravedad y a la turbulencia del agua -asta hace alg(n tiempo se creía que el sedimento siempre se depositaba en las partes mas proundas del embalse sin embargo esto no es así , se deposita en dos ormas características a0 barras en orma de delta + )e encuentran en las cabeceras del embalse compuestas de gravas y arenas con algo de limos, pertenecientes a la carga de ondo !a ormaci"n de los dep"sitos en delta tiene como consecuencia una elevaci"n de la curva de remanso en las cabeceras 'sta degradaci"n produce problemas como aguas estancadas , saturaci"n de la tierra , aumento de concentraci"n de sedimentos
3sando las ormulas de transporte se puede establecer la pendiente en la cual no hay transporte, para que comience así la ormaci"n del delta !a pendiente del delta es aproximadamente 45 veces la pendiente de aguas arriba b+ *epositación de sedimentos en suspensión
)e extiende en todo el embalse sin tener aparentes concentraciones en casos donde la pendiente del ondo esta disponible, se orman corrientes de densidad que llevan el material fno a mayor proundidad 'n el embalse si la pendiente es mas pronunciada pude llegar hasta la presa 'n algunas áreas se pueden ormar dep"sitos masivos de material fno que se mueva dentro del embalse por gravedad y se han notado con altos los de arcillas 'l canal se derivara en una parte de localizaciones en las cabeceras del embalse por una serie de separaciones que ocurren cuando el ondo es agradado a un nivel mas alto que las áreas adyacentes , lo que aumenta el ancho de los dep"sitos
METODOS DE PREDICCION DE LA DISTRIBUCIÓN DE SEDIMENTOS. !os métodos se basan en que el volumen de sedimentos que se han acumulado en un embalse se calcula restando la capacidad medida de la capacidad original , generalmente a una elevaci"n igual a la superfcie normal del agua ara determinar el volumen que el sedimento ocupa en un embalse, es necesario conocer su peso específico. l peso especifico de un deposito de sedimento se define como el peso del material sedimentario seco por unidad de volumen. or existencia de vacío entre los granos, el peso especifico de un deposito de sedimento es siempre menor que el de las partículas que lo componen.
!os actores que determinan el peso especifco de una deposici"n son la composici"n mecánica del sedimento, el ambiente en el que se acumulan las deposiciones y el tiempo 'l ambiente en que se encuentra ubicado el sedimento tiene también mucha in#uencia sobre su peso especifco; si el material queda ocasionalmente expuesto al aire y se seca, se acelera el proceso de compactaci"n !a exposici"n del sedimento depende del nivel de la superfcie libre y éste a su vez es unci"n del modo de operaci"n del embalse 'ste eecto es más importante en la compactaci"n de los limos y arcillas que en las de gravas y arenas
TRANSPORTE DE SEDIMENTOS .ifcultades para su estimaci"n 'l transporte de sedimentos por las corrientes esta controlado, por una parte por las características hidráulicas y de los materiales del cauce del río y por otro lado, por las condiciones hidrometereologicas, topográfcas, de suelos, de vegetaci"n y otras de la cuenca 'stos actores pueden resumirse en dos unciones básicas inherentes a la hoya y al río, una de ellas esta relacionada con la cantidad de material disponible para ser acarreado por las corrientes de agua y la obra indica la capacidad de transporte de tales corrientes e"ricamente estas unciones podrían expresarse, para un #u$o y una secci"n determinados de un río, como curvas relacionadas con el diámetro representativo de las partículas s"lidas, tal como se muestra en la fgura !as dos unciones tienen un punto com(n para un diámetro .s, que separa la denominada carga lavada o material fno, para diámetros ineriores a .s, del transporte de material de lecho o carga gruesa, para tama&os mayores 'sto signifca que el transporte real de sedimento estará controlado por la unci"n de disponibilidad, o sea por las condiciones hidrometereologicas y ísicas de la hoya tributaria, en el rango de la carga fna y por la unci"n de transporte , o sea las condiciones hidráulicas y de los materiales en el cauce del río, para el rango de diámetros más gruesos que constituyen el material de lecho
e"ricamente es posible calcular la capacidad de transporte de material de lecho por un río aplicando los principios de la mecánica de #uidos 'sto no signifca que el problema este completo y satisactoriamente resuelto, ya que existen vacíos importantes en aspectos tales como la defnici"n del diámetro representativo del material de lecho, el eecto de acorazamiento y protuberancia de las partículas mayores, las corrientes secundarias, la in#uencia de los fnos en suspensi"n, etc, de ahí que se cuenta con soluciones defnitivas a cuestiones tales como el rango de aplicabilidad y condiciones en que puede utilizarse un método dado y a la defnici"n de las variables que in#uyen sobre ciertas constantes empíricas que aparecen en las dierentes ormulas o procedimientos !a difcultad para calcular la carga de lecho es aun mayor en los ríos de monta&a, con #u$o torrentoso y que a veces transporta bloques de roca de varios metros c(bicos; en estos ríos las condiciones hidráulicas son diíciles de defnir y el material de lecho es muy grueso y heterogéneo la determinaci"n te"rica del transporte de material fno no es posible en la actualidad, ya que no depende exclusivamente de los principios hidráulicos, sino de aspectos comple$os, diícilmente cuantifcables, tales como la hidrometereologia, topograía, geología, suelos y vegetaci"n de la cuenca Pero además, en la mayoría de los ríos de nuestro país, teniendo en cuenta las condiciones metereologicas y ísicas, es preponderante el transporte el transporte de material fno con respecto al total, lo que signifca que no es muy productivo concentrar los esuerzos en la determinaci"n del método mas preciso para calcular el transporte de material de lecho, especialmente el que se mueve como sedimento de ondo, sino que se requiere eectuar un extenso programa de mediciones de campo para conocer con sufciente grado de confanza la magnitud y variaci"n espacial y temporal de la carga fna 3na alta proporci"n del transporte de sedimento fno se realiza durante las crecientes, que coinciden con lluvias intensas sobre la cuenca, o durante eventos esporádicos y rápidos, como son los grandes deslizamientos Para obtener un buen registro del transporte de material fno es
necesario intensifcar las mediciones de campo en periodos de invierno o después de la ocurrencia de deslizamiento u otros eventos similares signifcativos, utilizando métodos y equipos adecuados para obtener muestras representativas y con sufciente recuencia eniendo en cuenta las limitaciones en cuanto a la calidad y extensi"n espacial y temporal de los registros de acarreo de material fno es undamental considerar procedimientos alternativos a los métodos convencionales para evaluar el transporte total de sedimentos 'ntre los procedimientos alternativos vale la pena mencionar al que se basa en los estudios geomorol"gicos y de geología hist"rica de la cuenca como se describe en mayor detalle mas adelante *edidas de campo &nte la necesidad de contar con registros suficientemente largos y bien distribuidos en la cuenca del transporte de material fino, es fundamental considerar las estaciones automáticas de registro continuo y los muestreadores de sedimento para aguas altas. sto es más importante si se tiene en cuenta la dificultad y el costo de la eecución de los aforos sólidos convencionales.
'n %olombia se han instalado algunos equipos automáticos del tipo de bombeo denominado P)647 'l muestreador P)6 47 puede tomar hasta 81 muestras de sedimento suspendido y puede operar a intervalos predeterminados o cuando el nivel del #u$o llega a cierto nivel o de acuerdo con los cambios en la descarga del río 'n cuanto a los muestreadores para aguas altas se ha utilizado con éxito en varios sitios del país el de botella tipo 9615 'ste muestreador se coloca en el sitio de interés y toma una muestra de sedimento en suspensi"n cuando el nivel del agua llega a la boquilla del aparato 'stos dos tipos de equipo (nicamente toman una muestra puntual, instantánea y razonablemente representativa del sedimento en suspensi"n .e ahí que las concentraciones medidas por los equipos descritos deban correlacionarse con las concentraciones promedias de la corriente en la secci"n considerada, determinadas mediante aoros de s"lidos completos; además deben investigarse el punto mas adecuado para instalaci"n del muestreador o de la boquilla
CONCLUSIONES !a evaluaci"n del transporte de sedimentos constituye un aspecto undamental de los estudios para proyectos de presas por su in#uencia en la colmatacion de los embalses, la calidad del agua captada, los procesos de agradacion aguas arriba del lago y degradaci"n aguas deba$o de la presa y el control de erosi"n en la cuenca 'n la mayoría de los ríos de %olombia el transporte de material fno es preponderante en relaci"n con el total y ocurre en mayor proporci"n durante las crecientes y periodos de aguas altas .e ahí la necesidad de concentrar la mayor parte de las campa&as de aoros durante los periodos de invierno y operar registradores automáticos y que tomen muestras en crecientes y sitios de diícil atenci"n eniendo en cuenta las limitaciones en la duraci"n y la calidad de los registros de sedimentos es undamental aplicar métodos alternativos para estimar el transporte de s"lidos a largo plazo 'n este sentido son muy (tiles los estudios de geomorologia y geología hist"rica y las observaciones de colmatacion en embalses ya construidos 's undamental hacer conocer oportunamente los registros sobre magnitud y distribuci"n de los sedimentos acumulados en embalses existentes
Lenin Alberto Sepúlved
