estructuras hidrÁulicas
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modelos de estructuras hidraulicasTRANSCRIPT
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ESTRUCTURAS HIDRULICAS
EMBALSES
Son volmenes de agua retenidos en un vaso topogrfico
natural o artificial gracias a la realizacin de obras hidru-
licas.
Figura 1.1. Ilustracin de un embalse. Villamizar C., A. 1989.
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Clasificacin
La clasificacin de los embalses se puede hacer
segn su funcin y segn su tamao, de la siguien-
te manera:
1) Segn su funcin
1.1 Embalses de acumulacin: retienen excesos
de agua en perodos de alto escurrimiento
para ser usados en pocas de sequa.
1.2 Embalses de distribucin: no producen gran-
des almacenamientos pero facilitan regulari-
zar el funcionamiento de sistemas de sumi-
nistro de agua, plantas de tratamiento o esta-
ciones de bombeo.
1.3 Pondajes: pequeos almacenamientos para
suplir consumos locales o demandas pico.
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2) Segn su tamao
La clasificacin de los embalses de acuerdo al
tamao se hace ms por razones de tipo esta-
dstico que por inters desde el punto de vista
tcnico.
2.1 Embalses gigantes > 100,000 Mm3
2.2 Embalses muy grandes 100,000 Mm3 > >
10,000 Mm3
2.3 Embalses grandes 10,000 Mm3 > > 1,000
Mm3
2.4 Embalses medianos 1,000 Mm3 > >1 Mm3
2.5 Embalses pequeos o pondajes < 1 Mm3
: volumen del embalse
Mm3 : millones de metros cbicos
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Figura 1.2. Capacidad reguladora de los embalses.
La Figura 1.2 ilustra sobre la funcin reguladora de un embalse.
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Ventajas de los embalses
Mejoramiento en el suministro de agua a ncleos
urbanos en pocas de sequa.
Aumento de las posibilidades y superficie de riegos.
Desarrollo de la industria pesquera.
Incremento de las posibilidades de recreacin.
Mantenimiento de reservas de agua para diferentes
usos.
Incremento de vas navegables y disminucin de
distancias para navegacin.
Control de crecientes de los ros y daos causa-
dos por inundaciones.
Mejoramiento de condiciones ambientales y paisa-
jsticas.
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Desventajas de los embalses
Prdidas en la actividad agroindustrial por inunda-
cin de zonas con alto ndice de desarrollo.
Cambios en la ecologa de la zona.
Traslado de asentamientos humanos siempre dif-
ciles y costosos.
Inestabilidad en los taludes.
Posible incremento de la actividad ssmica, espe-
cialmente durante el llenado de embalses muy
grandes.
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Consideraciones para la seleccin del sitio
del embalse
El vaso natural debe tener una adecuada capaci-
dad, la que es definida por la topografa. Se debe
buscar obtener la mayor relacin entre agua al-
macenada a volumen de presa, ojal mayor que
diez para pequeos proyectos. La siguiente tabla
incluye ejemplos de embalses muy conocidos a
nivel nacional y mundial.
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La geologa del lugar debe analizarse desde el pun-
to de vista de la filtracin del lecho del embalse
estudiando fallas, contactos y fisuras. Las filtracio-
nes ocasionan no solamente prdidas de agua, sino
tambin ascenso del nivel fretico dando lugar a
cambios en las condiciones de los suelos adyacen-
tes. Las mejores condiciones para un embalse las
dan suelos arcillosos o suelos formados por rocas
sanas, y las peores los suelos limo-arenosos. Si las
filtraciones son muy grandes, casi seguro que el
vaso topogrfico natural no es factible para el al-
macenamiento. Si resulta econmico, se puede im-
permeabilizar el vaso, lo que sobre todo es facti-
ble en el caso de pondajes.
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La estabilidad de los taludes del embalse debe ser
analizada, puesto que cuando el embalse est lle-
no no se presentan serios problemas, pero stos
surgen al ocurrir descensos en los niveles del agua
y especialmente si son sbitos.
Es necesario hacer el avalo de los terrenos a i-
nundar. El costo de compra de los terrenos no de-
be ser excesivo. El rea del embalse no debe tener
en lo posible vas importantes ni edificaciones de
relocalizacin costosa.
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La calidad del agua embalsada es importante y de-
be ser satisfactoria para el uso proyectado.
Los aportes de agua de la cuenca hidrogrfica de-
ben ser suficientes durante los perodos de lluvia
para llenar el embalse y poder suplir la demanda
durante pocas de sequa; en otro caso, hay que
estudiar la posibilidad de trasvases.
El impacto ambiental y social tanto aguas arriba
como aguas abajo debe considerarse y evaluarse.
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La limpieza de la zona del embalse puede resultar
costosa y debe considerarse a favor o en contra
de un proyecto. Materias flotantes, rboles y otros
desechos pueden ser causa de problemas en el
funcionamiento de las obras y en la explotacin
del embalse. La hoya hidrogrfica debe presentar
pocos sntomas de erosin.
Se busca que en la vecindad haya materiales para
la construccin de la presa y obras anexas.
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Caractersticas de los embalses
Lo ms importante de un embalse es su capacidad
de almacenamiento, que se representa por medio
de las curvas caractersticas que son dos:
1. Curva rea-elevacin: se construye a partir de
informacin topogrfica planimetrando el rea
comprendida entre cada curva de nivel del vaso
topogrfico. Indica la superficie inundada co-
rrespondiente a cada elevacin.
2. Curva capacidad-elevacin: se obtiene mediante
la integracin de la curva area-elevacin. Indica
el volumen almacenado correspondiente a cada
elevacin.
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Se requiere para determinar estas curvas de infor-
macin topogrfica consistente en un plano topo-
grfico de la cuenca hidrogrfica. Escalas usuales
son 1:50.000, 1:25.000, 1:20.000, 1:10.000, 1:5.000,
y 1:1.000, con curvas de nivel entre 20 m y 1 m,
dependiendo de la magnitud del proyecto y del ni-
vel de precisin requerido.
El incremento de volumen entre dos curvas de ni-
vel consecutivas se calcula con la siguiente expre-
sin:
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= incremento de volumen entre curvas de
nivel consecutivas.
= diferencia de nivel entre curvas de nivel
consecutivas.
= rea correspondiente a un nivel inferior.
= rea correspondiente a un nivel superior.
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Ejemplo
Tabla 1.2. rea y volumen del embalse.
msnm: metros sobre el nivel del mar
Ha: hectreas
Mm3: millones de metros cbicos V =
V = volumen acumulado correspondiente a cada nivel
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Niveles caractersticos
Nivel de embalse muerto (NME): es el nivel
mnimo de agua en el embalse. Delimita supe-
riormente el volumen muerto del embalse el cul
debe exceder en capacidad al volumen de sedi-
mentos calculado durante la vida til con el fin de
que el embalse los pueda contener. Su determina-
cin es muy compleja, sobre todo si el embalse es
de propsito mltiple (caso en que debe tenerse
en cuenta la carga de agua sobre las turbinas, con-
diciones de navegacin aguas arriba, altura de co-
mando sobre las tierras de riego, etc.).
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Nivel mnimo de operacin del embalse
(NMOE): delimita superiormente el volumen
generado por la altura mnima del agua necesaria
para el correcto funcionamiento de toma de agua
la que se sita por encima de NME.
Nivel normal del agua (NNE): delimita
superiormente al volumen til del embalse,
que es el que se aprovecha y gasta en funcin de
diferentes propsitos: energa, irrigacin, suminis-
tro de agua, etc. Para su ubicacin se tienen en
cuenta los siguientes aspectos: aportes de la cuen-
ca, demanda de agua, prdidas por infiltracin y
evaporacin.
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Nivel forzado de agua (NFE): se presenta
temporalmente durante la creciente de los
ros dando lugar al volumen forzado del embalse,
el cual puede ser usado en algunos casos, pero
por lo general es evacuado rpidamente por me-
dio del vertedor de demasas o rebosadero o ali-
viadero.
En condiciones normales ocurre oscilacin del ni-
vel del agua entre el NNE y el NMOE.
Volumen total del embalse
Volumen muerto
Volumen de
operacin
Volumen til
Volumen forzado
= + + +
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Figura 1.4. Representacin de los niveles caractersticos de un embalse.
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Rendimiento del embalse
Es la cantidad de agua que puede proporcionar el
embalse en un intervalo especfico de tiempo.
El rendimiento seguro o firme, es la cantidad mxi-
ma de agua que puede garantizarse durante un pe-
rodo crtico de sequa. El rendimiento secundario
es el agua disponible en exceso del rendimiento
seguro durante perodos de escurrimiento altos.
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Procedimiento general para la planeacin
de un embalse
1. Clculo del costo del embalse para varias altu-
ras del llenado.
2. Clculo del costo del beneficio que se puede
obtener al garantizar una demanda para varias
alturas de llenado.
3. Clculo del beneficio neto.
4. Seleccin del proyecto con mayores beneficios,
considerando si es necesario y posible, otros
factores como el social y el ecolgico.
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Al hacer una optimizacin de este tipo, se com-
prueba que el ro sin proyecto puede proporcio-
nar algn tipo de beneficio y por otro lado, que se
llega un momento en que un incremento en la al-
tura de la presa no significa un incremento en el
beneficio neto. Esto se explica por el hecho de que
no se puede extraer del ro mas all de los apor-
tes que suministra en un perodo determinado.
La grfica 1.3 ilustra la situacin planteada.
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Tabla 1.3. Costo y beneficio de un embalse para varias alturas de llenado.
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Aporte de sedimentos al embalse
El aporte de sedimentos a un embalse tiene gran
influencia sobre la factibilidad tcnica y econmica
y sobre la operacin de proyectos de recursos h-
dricos. Los sedimentos ocasionan no solamente
reduccin de la capacidad de almacenamiento sino
que tambin pueden llegar a ocasionar problemas
en el funcionamiento de tomas y descargas de a-
gua. La evaluacin precisa de esta influencia se ha-
ce difcil porque normalmente existen limitaciones
significativas en la informacin bsica disponible.
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Sedimentos son todas aquellas partculas que una
corriente lleva por deslizamiento, rodamiento, o
saltacin, ya sea en suspensin o sobre el fondo
del lecho. Los sedimentos tienen su origen en el
lecho, en las laderas del ro y en la cuenca hidro-
grfica. Tres clases de materiales se distinguen en
un cauce natural considerando nicamente la re-
sistencia que ofrecen a ser transportados por una
corriente: materiales no cohesivos o granulares,
materiales cohesivos y rocas.
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El material granular est formado por partculas
sueltas. La fuerza que un lquido debe hacer para
mover las partculas es funcin del peso de cada
partcula y del coeficiente de friccin interna. El
material cohesivo est formado de partculas muy
pequeas que ofrecen resistencia al flujo de agua.
La fuerza de cohesin que impide el transporte
de las partculas por una corriente es considera-
blemente mayor que el peso de la partcula, y por
lo tanto, una vez que esta fuerza es vencida, la
partcula se puede comportar como si fuera gra-
nular y ser transportada en suspensin debido a
su peso y tamao reducidos.
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El material rocoso usualmente no es movido o e-
rodado por una corriente de agua durante el tiem-
po de vida de una estructura. El material rocoso
puede comportarse como granular si est fractura-
do y la energa del flujo es muy alta.
ESTRUCTURAS HIDRULICAS. EMBALSES. M. E.
GUEVARA 10
La interaccin entre el flujo y el material granular
aluvial ha sido ms ampliamente estudiada debido a
que es el caso ms frecuente asociado con proble-
mas en la hidrulica de ros.
Las partculas se mueven generalmente rodando o
deslizndose unas sobre otras en velocidades bajas.
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Sin embargo, cuando las velocidades aumentan, are-
nas e incluso gravas pueden ser transportadas en
suspensin. El transporte de sedimentos se clasifica
en dos grandes grupos de acuerdo con su origen:
carga de lecho y carga lavada. La principal diferen-
cia entre el uno y el otro es que la carga de lecho
depende de las caractersticas hidrulicas del flujo y
de las caractersticas fsicas de los materiales, en
tanto que la carga lavada depende ms de las con-
diciones de la cuenca hidrogrfica.
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Carga de lecho total (SlT)
Los sedimentos tienen origen en el lecho del cauce y
pueden ser transportados como carga de lecho en el
fondo (Slf), o como carga de lecho suspendida (Sls). La carga
de lecho es generalmente granular de tipo piedras, gravas, y
arenas.
SlT = Slf + Sls Slf = Carga de lecho en el fondo
Sls = Carga de lecho suspendida
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Carga de lecho en el fondo (Slf)
Es el material del lecho que es transportado por la
corriente en una capa prxima al fondo ya sea por
deslizamiento, rodamiento o saltacin, y tiene un
espesor aproximado igual a dos veces el dimetro
de la partcula considerada. No es fcil su cuantifi-
cacin pues es complicado distinguir el material
que est en el fondo del cauce en movimiento y el
que no es arrastrado por la corriente.
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Carga de lecho suspendida (Sls)
Es el material del lecho que es transportado en
suspensin por el flujo de agua debido a su veloci-
dad y turbulencia, que hacen que las partculas del
fondo del cauce se levanten. Las partculas se man-
tienen en suspensin hasta que caen nuevamente al
cesar las condiciones de velocidad y turbulencia.
Est formada principalmente por material granular
tipo arenas y gravas.
La carga en suspensin es cuantificable con mues-
treadores de sedimentos.
Una muestra de agua tomada en ros de cuencas
muy bien conservadas que aportan muy poca carga
lavada es representativa de la carga de lecho en
suspensin.
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Carga lavada (Sl)
Est formada por el material muy fino que trans-
porta la corriente en suspensin. Estos sedimentos
tienen su origen en la cuenca hidrogrfica. Todo el
sedimento lavado proviene de aguas arriba y no es
representativo del sedimento en el fondo del cau-
ce. La carga lavada est formada por partculas muy
finas, especialmente limos y arcillas que son mante-
nidas fcilmente en suspensin, con dimetro me-
nor que 0.062 mm. No es significativa para el di-
mensionamiento de un embalse pero s afecta la
calidad del agua.
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Una muestra de carga lavada se puede obtener en
tramos del ro con velocidades muy bajas, y su
cuantificacin debe hacerse en laboratorio.
Carga de sedimentos en suspensin (Ss)
La carga de sedimentos en suspensin est forma-
da por la combinacin de carga de lecho suspendi-
da y carga lavada.
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Una muestra de agua tomada en una corriente na-
tural es siempre representativa de la concentracin
de material slido en suspensin puesto que inclu-
ye la carga lavada y la carga de lecho suspendida.
Carga total de sedimentos (ST)
La carga total de sedimentos est dada por las
siguientes expresiones:
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La siguiente figura lustra la distribucin de sedimentos
en un embalse.
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Problemas causados por los sedimentos
El destino final de un embalse es llenarse de sedi-
mentos determinando as su vida til. Los sedimen-
tos influyen sobre el cauce del ro interceptado y el
embalse en diferentes formas:
Depsitos de sedimentos en los embalses, lo que
ocasiona reduccin en el volumen til disponible,
obstruccin de tomas, estaciones de bombeo, des-
cargas de fondo.
Calidad deficiente de las aguas en cuanto a la
concentracin y al tipo de sedimentos. Esto puede
afectar la operacin de las plantas de tratamiento y
ocasionar desgastes en maquinas y tuberas.
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Aguas arriba se causa agradacin en el ro princi-
pal y en los tributarios.
Aguas abajo se causa degradacin pues el agua
descargada tiene mayor capacidad de transporte
de sedimentos.
La sedimentacin en el embalse puede ser o no
significativa. En el 95% de los casos el volumen
muerto es del orden de un 10% (8% a 12%) del vo-
lumen total en un perodo til de 50 a 100 aos.
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Efectos ambientales potenciales debidos a la
construccin y puesta en marcha de un em-
balse
Los impactos originados por el embalsamiento de-
ben ser analizados considerando la respuesta del
ecosistema durante las fases de construccin del
proyecto y de operacin del embalse. Una lista de
posibles impactos es la siguiente:
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Fase de construccin
Desecho de sedimentos provenientes de la cons-
truccin de las obras en la corriente natural.
Descarga de pesticidas, desechos orgnicos o pe-
troqumicos y otros elementos contaminantes.
Contaminacin del aire con partculas slidas en
suspensin.
Aumento del ruido como consecuencia de la utili-
zacin de maquinaria y de las diversas operacio-
nes necesarias para la construccin de las obras
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Fase de operacin del embalse
- En la zona inundada
Prdida de recursos edficos al quedar inundado
el vaso hidrogrfico.
Impacto en los usos del suelo por inundaciones
del terreno, siendo a veces preciso cambiar las
prcticas tradicionales.
Aporte de residuos al embalse por actividades re-
creativas.
Contaminacin del aire por el trfico inducido.
Descomposicin orgnica en el embalse.
Eutroficacin. Deficiencias en la cantidad de ox-
geno disuelto.
Cambio de ambiente de ro a lago y posible re-
duccin de la diversidad de especies.
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Sedimentacin en el embalse, disminuyendo el vo-
lumen til y ocasionando la posible obstruccin de
tomas y descargas de agua.
Cambio en el paisaje como consecuencia de la de-
saparicin de algunos de sus elementos caracters-
ticos, o de su modificacin por la introduccin de
obras ajenas al medio.
Inestabilidad de taludes causada por el oleaje y
por la fluctuacin de niveles del agua. El desembal-
se sbito constituye la situacin de mayor peligro,
no solo para la estabilidad de las laderas del em-
balse, sino tambin para la estabilidad de la presa
especialmente si es de materiales sueltos.
Alteraciones sobre el nivel fretico.
Alteraciones de la fauna y de la vegetacin por
modificaciones en su hbitat natural.
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Erosin de las laderas del embalse por la accin
del oleaje.
Evaporacin de embalses e incremento en la hu-
medad atmosfrica.
Efecto del remanso causando, por ejemplo, sedi-
mentacin en tributarios.
Estratificacin de temperaturas en el embalse, lo
que a su vez es origen de una gama de cambios
sobre la calidad del agua. Estos cambios son de dif-
cil prediccin y dependen de la geometra del vaso,
del flujo de agua en el embalse, de la velocidad del
viento, y de la radiacin solar. Probablemente el e-
fecto mas grande de la estratificacin trmica es la
inhibicin de transferencia entre el epilimnion rico
en oxigeno y el hipolimnion donde el oxgeno se a-
gota debido a la oxidacin de residuos orgnicos.
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- En la zona aguas abajo
Erosin en el cauce por la retencin de sedimen-
tos aguas arriba.
Descenso de la fertilidad de los suelos al quedar
desprovistos de la aportacin de limo.
Impacto sobre la biota debido a la variacin en la
calidad del agua.
Posible eliminacin de nutrientes en el contenido
de agua, con efecto sobre los agroecosistemas.
Impacto sobre los peces, los cultivos, etc. Debido
al cambio de temperatura de las aguas.
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Descarga de agua con temperaturas inadecuadas
para los usos aguas abajo.
Impacto favorable sobre los usos del suelo al au-
mentar control de inundaciones y a las posibilida-
des de irrigacin.
Control de contaminaciones al regular el caudal
en pocas de estiajes.
La anterior lista, a pesar de su extensin, no deja
de ser incompleta. Cada situacin debe ser
evaluada integralmente para definir la magnitud, la
importancia y la duracin de los efectos asociados
a cada proyecto de aprovechamiento del recurso
agua, y considerando, que algunos pueden ser
positivos y otros negativos.
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Medidas de proteccin de un embalse
Cultivar las laderas en fajas o terrazas para re-
trasar el escurrimiento y mermar la erosin de
la cuenca con el fin de reducir el aporte de sedi-
mentos al embalse.
Construir pequeas presas de retencin en las
laderas.
Colocar cubierta vegetal sobre el terreno para
amortiguar el impacto de la lluvia.
Construir trampas de sedimentos en los afluen-
tes al embalse.
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Estabilizar los suelos de los taludes.
Desmontar y limpiar del vaso.
Tratar las aguas que llegan al vaso.
Airear naturalmente el embalse por oscilacin de
niveles del agua y eventualmente usar aireacin
artificial, por ejemplo, haciendo inyecciones de o-
xgeno.
Controlar de niveles del agua para navegacin y
recreacin.
Remover de azolves.