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IV Jornadas de Ingeniería del Agua La precipitación y los procesos erosivos Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015
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Propuesta metodológica para
optimización de la gestión del caudal ecológico en
diversas minicentrales hidroeléctricas a pie de azud en
la Demarcación Hidrográfica del Duero
Francisco Javier Caballero Grupo de Investigación en SEguRidad de Presas y Aliviaderos (SERPA)
Universidad Politécnica de Madrid (UPM)
E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos. C/ Profesor Aranguren s/n. 28040 Madrid, España
Jesús Guerrero González Técnicas del Medio Ambiente y del Agua (TECMA S.A.)
C/ Rodríguez San Pedro 42. 28015 Madrid, España
Sara González Benito Lcda. en Ciencias Ambientales. Master en Ingeniería y Gestión del Agua
Rúa Panasco 2 Bajo G. 36350 Nigran, Pontevedra, España
Juan Gallardo Sancha Ingeniería Cartográfica GAROA S.L.
Paseo de Salvador de Azpiazu, 6, 01008 Vitoria-Gasteiz, España
1. Introducción
Los trabajos que se describen en la presente comunicación han tenido como finalidad la
obtención de un modelo de gestión óptimo del caudal ecológico a evacuar por parte de los
azudes de derivación de una serie de minicentrales hidroeléctricas de diferentes
propietarios en la Demarcación Hidrográfica del Duero, respetando siempre los valores y
criterios establecidos en el Plan Hidrológico de Cuenca.
Esta optimización de la distribución del caudal ecológico fue solicitada para intentar
particularizar los caudales “macro” definidos de forma continua y uniforme por la
Demarcación Hidrográfica para una serie de tramos más o menos amplios, intentando
concretar su configuración en puntos determinados.
Para ello se realizó una simulación hidráulica bidimensional y un análisis y evaluación
ambiental de resultados de cada una de las infraestructuras evaluadas, que fueron
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presentados a la Confederación en la primera mitad del año 2012. Posteriormente,
durante los meses de junio a agosto de 2013 se procedió a realizar una serie de pruebas
de campo (aforos directos en los cauces estudiados, batimetrías y determinación
topográfica de las superficies de inundación), en las que se compararon los resultados
obtenidos en dichas pruebas con las modelaciones hidráulicas realizadas anteriormente.
La comprobación tuvo como objetivo principal valorar la nueva distribución de caudal
ecológico propuesta en los informes del año 2012 asegurando que no se ponía en riesgo
ninguno de los elementos abióticos y bióticos de los distintos ríos analizados para
mantener las condiciones naturales de dichos cauces en los tramos analizados, estando así
en consonancia con lo establecido en la Directiva Marco del Agua (2000/60 CE) y en la
Instrucción de Planificación Hidrológica (Orden ARM 2656/2008) en lo referido a la
protección y mejora de los ecosistemas acuáticos.
2. Datos de partida
2.1 Situación y características principales de las minicentrales estudiadas
Se ha realizado la evaluación de siete (7) minicentrales, todas ellas situadas a pie de azud y
ubicadas en la Demarcación Hidrográfica del Duero, concretamente en las provincias de
Valladolid y Zamora, en los cauces de los ríos Duero y Esla.
Figura 1. Ámbito de actuación de los estudios realizados
Todas las centrales estudiadas disponen de doble turbina, cada una de las cuales puede
trabajar de forma independiente.
Zona de estudio
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Cada turbina presenta un límite operacional del 25% de su capacidad máxima de
turbinación, es decir, al disponer de dos turbinas, cada una de las cuales puede trabajar de
forma independiente, el caudal mínimo para el que podrá trabajar la minicentral será el 25%
de una de las dos máquinas, por debajo del cual todo el caudal circulante no podrá ser
turbinado y será vertido por el azud.
Todas las minicentrales estudiadas se encontraban al comienzo de los trabajos sometidas a
un régimen de caudal ecológico continuo y uniforme, definido por los valores marco
establecidos en el Plan Hidrológico de Cuenca, buscando en los trabajos obtener una
distribución de caudal más coherente con el régimen hidráulico de los cauces en estudio.
2.1 Topografía y modelos digitales del terreno
Tradicionalmente, una cartografía adecuada ha resultado ser un elemento fundamental
para una correcta modelación de la propagación de hidráulica de cualquier avenida en un
cauce. En la actualidad, con los medios de modelación disponibles, la cartografía ha
adquirido aún más protagonismo, hasta el punto de que el mismo modelo con diferentes
bases cartográficas de distinta precisión puede arrojar resultados tan diferentes que
provoquen una variación significativa de la llanura inundable.
Así, se encuentran disponibles de forma libre en las páginas web de infraestructura de
datos espaciales de las distintas Comunidades Autónomas así como en la del el Instituto
Geográfico Nacional (IGN) diferentes modelos cartográficos, entre los que se puede
destacar el modelo digital del terreno (MDT) obtenido a partir de la ortofoto del Plan
Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA) que asegura la existencia un punto de cota
conocida cada 5x5 m2.
Adicionalmente, el IGN dispone de un modelo que asegura la existencia un punto de cota
conocida cada 2x2 m2 que abarca casi toda la España. Este modelo se encuentra sin tratar
pero con un procesado previo y un adecuado apoyo de campo arroja un MDT de elevada
calidad más que suficiente para cualquier estudio de propagación de avenidas.
Los dos modelos descritos han sido empleados en la ejecución de los trabajos de
modelación hidráulica del Sistema Nacional de Cartografía de Zonas Inundables (SNCZI) en
diversas cuencas hidrográficas de este país, con resultados excelentes.
No deben olvidarse además los levantamientos topográficos realizados de forma
específica, y que en el caso de cauces deben ir acompañados de las oportunas batimetrías
realizadas por equipos especializados.
En el caso que nos ocupa los modelos base para los cálculos parten de una topografía
batimétrica del cauce, realizada ex profeso para los trabajos y que ha sido integrada en los
modelos 2x2 m2 o 5x5 m
2 del IGN que se han empleado para completar la zona de valle del
río y definir los límites del cauce. Así, el modelo final generado resulta una combinación de
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todas las tipologías expuestas, empleándose en la simulación un MDT tipo TIN, generado
directamente sobre el software empleado en el modelo hidráulico. Además, se han retocado
en el modelo las cotas de los azudes, reflejadas con especial precisión en los perfiles
longitudinales de los mismos, también tomados en campo para la ocasión.
2.2 Caudales a modelar
Los caudales a emplear en los modelos a realizar han sido proporcionados por los diferentes
propietarios y corroborados por la Confederación Hidrográfica del Duero.
Como ya se ha mencionado, todas las centrales en estudio cuentan con dos turbinas que
pueden funcionar de manera independiente, con capacidades por turbina entre 18 y 52
m3/s. En función de la limitación operacional de las turbinas (25% de su capacidad máxima
de turbinación) expuesta en el punto 2.1., los caudales mínimos modelados para turbinación
han oscilado entre 4,5 y 13 m3/s, atendiendo a los máximos expuestos en el párrafo anterior.
2.3 Rugosidades iniciales adoptadas
El valor adoptado, n=0,035 se considera un valor asumible para las características generales
de la zona en el estudio realizado. Debe tenerse en cuenta que el estudio realiza una
comparativa entre situaciones actuales y posibles situaciones futuras por lo que la adopción
del mismo valor para todas las hipótesis dará lugar a diferencias relativas concordantes con
la adopción de cualquier otro valor de la rugosidad en todas las hipótesis.
Además el numero de Manning (n) empleado se considera un valor medio mínimo, que dará
lugar a calados menores y por lo tanto repercutirá en la obtención de un remanso menor,
que si se adoptase un valor n más elevado por lo que el estudio realizado quedará del lado
de la seguridad en lo que se refiere al objeto del mismo.
3. Metodología para la modelación hidráulica
La modelación realizada ha buscado la comparación de los parámetros de calado y velocidad
entre la situación actual, y diferentes supuestos de situación futura.
Un aspecto que no debe olvidarse, y ha sido tenido muy en cuenta a la hora de elaborar la
metodología de trabajo, es que todas las centrales en estudio son del tipo a pie de azud, por
lo que el efecto del remanso tendrá una cierta importancia, dependiendo
fundamentalmente de la situación y longitud del canal de restitución de la central y de la
diferencia de cotas existente entre el pie del azud y la salida del mencionado canal.
3.1 Modelo hidráulico empleado
Dadas las condiciones expuestas parecía claro a priori, y se demostró durante la elaboración
de los estudios, la conveniencia de emplear alguno de los modelos bidimensionales
existentes a día de hoy en el mercado.
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Resulta evidente que uno de los mayores progresos realizados en los estudios de hidráulica
fluvial para propagación de caudales en cauces se ha producido con la generalización, en el
último lustro, del empleo de los modelos bidimensionales o 2D, que han propiciado la
obtención de zonas inundables más “realistas” que las obtenidas hasta entonces, gracias a la
capacidad de estos nuevos modelos de propagar el flujo de forma multidireccional.
Además, la metodología de cálculo de estos modelos, mediante polígonos sobre un modelo
digital del terreno (MDT) permite obtener resultados en toda la superficie inundable, y no
solo en una sección, pudiendo discernir mejor las diferentes zonas de la llanura definidas en
función de la dupla calado-velocidad.
En los estudios realizados se ha empleado el modelo INFOWORKS RS de Wallingford que
permite el cálculo bidimensional del flujo hidráulico y así como la introducción de varios
caudales de entrada en diferentes zonas del área de cálculo seleccionada, resultando dicho
modelo idóneo para realizar los cálculos requeridos en el presente informe.
El cálculo hidráulico se ha realizado considerando un modelo de distribución del caudal
ecológico continuo a lo largo de toda la longitud de vertido del azud. Así mismo, y como era
el deseo de los propietarios por facilidad de ejecución y de la Confederación por facilidad de
control, en función de los resultados obtenidos los caudales ecológicos propuestos podrán
distribuirse en un futuro de forma puntual mediante la ejecución de escotaduras en el azud
situándose las mismas en puntos estratégicos del vertedero, de manera que el caudal
vertido se distribuya de forma uniforme a lo largo del azud.
3.2 Primera fase de la modelación hidráulica. Comprobación de la
capacidad de remanso.
Atendiendo a lo expuesto con anterioridad en primer lugar se comprobó la capacidad de
remanso de los caudales turbinados en las distintas centrales. Para ello se adoptan para el
cálculo el caudal máximo y mínimo turbinable (coincidentes con el caudal de concesión y el
caudal mínimo turbinable respectivamente).
A partir de los resultados obtenidos se planteaban dos posibilidades en función del si el
remanso llega al pie del azud o no. Las posibilidades eran las siguientes:
A. El remanso NO alcanza el pie del azud. En este caso los calados y velocidades aguas abajo
del azud (en el tramo de cauce previo a la confluencia con el canal) son independientes de
los caudales turbinados. Por lo tanto la situación futura se simplificaba al estudio de una
disminución/aumento progresivo del caudal ecológico.
B. El remanso SÍ alcanza el pie del azud. En este caso se realizaba la comparación entre
situación actual y futura en dos condiciones hidrológicas diferentes: en época de lluvias
considerando caudales elevados (caudal máximo que se puede turbinar) y época de estiaje
(caudal mínimo que se puede turbinar debido a los límites de operación de las máquinas).
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Figura 2. Ejemplo de cálculo hidráulico de la capacidad de remanso en época húmeda (izquierda) y
de estiaje (derecha). En este caso, en ambos cálculos se alcanza el pie del azud, al menos a través del
canal principal de desagüe
3.2 Segunda fase de la modelación hidráulica. Comparación entre
caudales y calados de las diferentes situaciones actuales y futuras, para
las dos hipótesis posibles obtenidas en la primera fase.
En función de los resultados obtenidos en la primera fase de modelación hidráulica se
acometía la segunda fase, que puede esquematizarse de la siguiente forma:
A. Sin remanso:
Situación actual: Caudal ecológico concesional actual vertiendo por el azud.
Situaciones futuras: Disminución/aumento progresivo del caudal ecológico azud.
B. Con remanso:
B1. Época de lluvias o caudales altos:
Situación actual: Caudal máximo turbinable (caudal de concesión) circulando por el canal de
salida de la central hidroeléctrica y caudal ecológico concesional vertiendo por el azud.
Situaciones futura: Caudal máximo turbinable (caudal de concesión) circulando por el canal
de salida de la central y disminución/aumento progresivo del caudal vertido por el azud.
B2. Época de estiaje o caudales bajos:
Situación actual: Caudal mínimo turbinable (mínima capacidad de trabajo de las máquinas
que resulta ser un 25% del caudal máximo de cada turbina) circulando por el canal de salida
de la central hidroeléctrica y caudal ecológico concesional vertiendo por el azud.
Situaciones futura: Caudal mínimo turbinable (mínima capacidad de trabajo de las máquinas
que resulta ser un 25% del caudal máximo de cada turbina) circulando por el canal de salida
de la central hidroeléctrica y disminución/aumento progresivo del caudal ecológico
vertiendo por el azud.
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4. Resultados obtenidos en la modelación hidráulica y
evaluación ambiental previa. Conclusiones iniciales
4.1 Resultados
Tras las evaluaciones realizadas, y dadas las características de las centrales en estudio en la
mayoría de los casos se ha demostrado que la capacidad de remanso en el cauce da lugar a
que los caudales restituidos alcancen el pie del azud en el hipotético caso de que el caudal
vertido sobre el mismo sea nulo.
Figura 3. Arriba, comparación de llanuras inundables con régimen de caudal ecológico previo y
reducción del mismo a valores entre un 25%-50% en época de estiaje. Abajo, comparación de
calados en esas mismas hipótesis
Además, y como consecuencia de los resultados obtenidos en primera fase se plantearon
una serie de hipótesis redistribuyendo el caudal ecológico en época húmeda y de estiaje, de
forma que el mismo se reducía en época de estiaje, planteando inicialmente valores a
modelar del 66/75%, 35/50% y 25% del los valores que se establecían en ese momento, así,
por ejemplo, en el caso de centrales con caudales ecológicos en estiaje establecidos en 12
m3/s se realizaron modelaciones para ajustes del mismo a 8-9, 4-6 y 3 m
3/s
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Los resultados obtenidos para la hipótesis B1 en la hipótesis de menor caudal vertido dentro
de las zonas de influencia de los remansos, muestra unas diferencias de calados muy
reducidas, con diferencias por debajo del 15% con respecto a los calados en la situación
actual , siendo los mismos superiores a 1,50 metros. En el caso de la hipótesis B2, de igual
manera, la diferencia de calados entre las diferentes situaciones actuales y futuras arrojaba
valores mínimos.
4.2 Conclusiones de los informes emitidos en el año 2012
En todas las situaciones estudiadas, tanto de aumento como de reducción del caudal
vertido, se observó que los calados no cambiaban significativamente con respecto a la
situación actual, incluso en la situación extrema el cauce principal no sufre apenas
variaciones de calado, al igual que la superficie de la masa de agua. La velocidad, sin cambios
relevantes, presenta una mayor variación en el pie del azud, minimizándose esas diferencias
con respecto a la situación actual a medida que se discurre unos metros aguas abajo del
azud; este hecho se valoró positivamente pues se consideró que podía favorecer el efecto
llamada que se debe producir en la escala de peces para su correcto funcionamiento,
evitando el obstáculo que produce el azud y favoreciendo la conservación de la fauna
ictiológica, objetivo de la Directiva Marco del Agua (2000/60/CE).
Estas variables que interfieren en el hábitat de la fauna del río, calado y velocidad del agua,
en ningún escenario cambian de forma relevante como para repercutir en las especies
presentes en la zona entre los que se encuentran la Locha Espinosa (Cobitis taenia) o la
Bermejuela (Rutilus arcasii) todos ellos representantes de la familia de los Ciprínidos (Zonas
protegidas, Anejo III de la Propuesta de Proyecto de Plan Hidrológico de la Demarcación
Hidrográfica del Duero); esta familia de peces se caracteriza por su amplia distribución de
hábitats siendo poco exigentes en cuánto a condicionantes físicos.
De la misma forma, los resultados obtenidos permitían prever que no se producirá una
alteración en los procesos biológicos y fisicoquímicos que tienen lugar en el río al no variar
significativamente la velocidad y el calado; por lo que no se condiciona el buen
funcionamiento del ecosistema fluvial persiguiendo el objetivo marcado por la Instrucción
de Planificación Hidrológica en lo que se refiere a los caudales ecológicos
5. Trabajos de campo realizados para la comprobación de la
bondad de los modelos hidráulicos realizados o calibración de
los mismos
5.1 Consideraciones respecto a los caudales circulantes por el cauce
durante las pruebas de campo y a la metodología de medición en campo
Los trabajos de campo para corroborar los informes redactados en el primer trimestre del
año 2012 se realizaron entre los meses de julio y agosto de 2013. Una de las principales
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razones para llevar a cabo los trabajos en estas fechas fue que las modelaciones hidráulicas
de mínimos llevadas a cabo en los mismos se realizaron con hipótesis extremas, asignando
caudales mínimos de funcionamiento.
En general y siendo conscientes de que la reducción al caudal mínimo modelizado resultaba
una hipótesis de difícil consecución se opto por realizar las pruebas de forma que el caudal
circulante en el río Duero fuera el mínimo posible. Finalmente, y tras varios intentos se
consiguió disponer de modelizaciones en las que el caudal es prácticamente idéntico al
circulante por el río Duero durante las pruebas realizadas.
Adicionalmente, otro aspecto que también se tuvo muy en cuenta a la hora de realizar las
pruebas fue la forma de realizar las mediciones, prescindiendo de los clásicos perfiles
transversales del cauce al resultar aconsejable que las mismas se realizasen de manera
acorde al modelo hidráulico empleado. Esto es, teniendo en cuenta la bidimensionalidad del
modelo, se consideró que no era imprescindible realizar las mediciones por secciones,
siendo preferible efectuar las mismas por superficies, es decir, hacer una serie de
mediciones dentro de un área representativa previamente seleccionada.
5.2 Metodología empleada
Las pruebas realizadas en campo han conjugado la realización de una serie de aforos
directos aguas debajo de los azudes de las diferentes centrales hidroeléctricas con trabajos
topográficos de determinación de la cota de la lámina de agua para diferentes hipótesis de
vertido por el azud y turbinado por la central.
Los trabajos han sido supervisados en campo y se han realizado, en general, cuatro
mediciones que van desde el vertido por el azud del actual caudal ecológico a una
disminución del mismo próxima al 15-25% de su valor inicial, dado que los valores de la
nueva distribución propuesta en estiaje oscilan entre el 25 y el 50% de los valores que hasta
entonces se aplicaban de forma uniforme durante el ejercicio.
Los trabajos de campo pueden resumirse en:
1. Establecimiento de una o varias secciones de control para la realización de los aforos
directos en el río y medición topográfica de la misma.
2. Modificación de las condiciones de funcionamiento de la central para adecuar los
caudales vertidos por el azud y los caudales turbinados a las necesidades de la hipótesis a
medir. En este sentido, por ejemplo, en la central que se expone en las figuras 2 y 4 a 6 se
realizaron cuatro medidas en la que se pretendían conseguir vertidos por el azud de 12
(caudal ecológico uniforme establecido en ese momento), 8, 4 y 2 m3/s, obteniéndose unos
resultados según los aforos directos bastante aproximados a los mismos.
Tras un tiempo mínimo de 20-30 minutos para permitir el establecimiento de un régimen
más o menos permanente en lo referente a caudales vertidos y turbinados se procedió a la
realización del aforo directo en el río.
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Figura 4. Situación de puntos seleccionados para la comparación de cotas de inundación, y
agrupación por zonas sobre ortofoto. En azul secciones de control seleccionadas para aforos directos
3. Tras la comprobación de los resultados del aforo directo en cada hipótesis se procedió a la
realización de los trabajos topográficos de determinación de la superficie inundada. Para ello
se procedió a realizar un “barrido” por toda la superficie inundada seleccionando
posteriormente 30 puntos sobre los que se ha realizado el estudio más detallado en lo que
se refiere a variación de cota de inundación.
Figura 5. Comparativa entre llanuras inundables obtenidas en campo con vertidos de caudal
ecológico establecido en ese momento (12 m3/s) y valores reducidos a 8, 4 y 2 m
3/s. Puede
observarse que la diferencia entre las cuatro hipótesis es prácticamente inexistente
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Figura 6 . Comparativa entre las zonas inundables obtenidas en las pruebas de campo (línea
amarilla) y las obtenidas mediante la modelización hidráulica (triángulos negros)
5.3 Resultados obtenidos
De los resultados obtenidos en campo en las diferentes centrales debe observarse que la
variación de cota entre las diferentes hipótesis evaluadas en campo es prácticamente
despreciable (ver figura 5).
También deber resaltarse que, en general, las cotas obtenidas en las pruebas de campo son
siempre superiores de forma uniforme a las obtenidas mediante modelación. Esto puede ser
debido a diversas causas, como pudieran ser que el modelo hidráulico realizado arroja
resultados del lado de la seguridad, un error en el posicionamiento de la base para toma de
cotas, o bien una variación en la superficie del fondo del cauce estudiado como
consecuencia de las avenidas acaecidas en el pasado invierno.
Lo que sí es evidente es que la diferencia relativa de cotas entre las diferentes hipótesis
medidas en campo y los resultados del modelo hidráulico resultan ser del mismo orden, e
incluso las de campo inferiores a las modeladas, lo que puede permitir aseverar que la
modelación hidráulica es correcta arrojando incluso resultados del lado de la seguridad
6. Conclusiones
Tras la validación realizada con las pruebas de campo pudieron confirmarse las
aseveraciones de los informes presentados en el primer trimestre del año 2012 ante una
redistribución del caudal ecológico, reduciendo el mismo en época de estiaje, lo que
redunda en una distribución más coherente con el régimen fluvial.
Así mismo estas pruebas han validado la metodología empleada, corroborando la bondad de
los resultados obtenidos mediante modelación hidráulica bidimensional.
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