CAPITULO II: COLMATACION DE EMBALSES

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CAPITULO II: COLMATACION DE EMBALSES

2.1.- TRANSPORTE DE SEDIMENTOS.- 2.1.1- Introducción.- 1

Los problemas de los diseños de estructuras hidráulicas se presentan cuando se necesita evaluar de manera confiable los volúmenes de sedimentos que los ríos transportan hasta las obras -y que a menudo ocasionan fallas en la operación de bocatomas y presas de embalse, como es el caso de la presa de Poechos. También hay fallas cuando debe realizarse el control de las inundaciones y en las protecciones de las márgenes. Estos problemas se deben a los siguientes factores:

• Deficiencia en la información cartográfica e hidrometeorológica de las cuencas vertientes, y de caudales líquidos y sólidos en la mayoría de los ríos.

• Desarrollo aún incipiente de los métodos de medición de sedimentos y de aplicación de fórmulas empíricas a casos reales.

• Cambios en las prácticas tradicionales de manejo de la cuenca después de construidas las obras.

En los primeros dos casos las cargas totales de transporte de sedimentos que se aplican en el diseño de las obras pueden resultar excesivas o deficientes. En el tercero, el pronóstico hecho en base a la información histórica resulta irreal.

Por las razones expuestas, para lograr un buen diseño de las obras que van a estar sometidas al efecto de los sedimentos es necesario evaluar, además de la información histórica existente, la relación que existe entre la cuenca como productora de sedimentos y el río como conductor de los mismos.

Se entiende por sedimento a todas las partículas de suelo y roca de una cuenca que son arrastradas y transportadas por una corriente de agua.Según su comportamiento al ser transportado por el flujo, el sedimento se puede diferenciar en dos grandes grupos: el del Fondo y el del Lavado o suspensión. Al estudiar un tramo de río, el primero es el material que forma el fondo o alveo del cauce, y el segundo es el que no se encuentra dentro de ese material. Este último está formado por partículas muy finas como limos y arcillas que el agua transporta en suspensión.

La diferencia principal en el comportamiento entre el material de fondo y el material de lavado consiste en que el primero depende de las características hidráulicas de la corriente y de las características físicas del material. Por tanto, si en dos ríos se tienen tramos semejantes y con idéntico material en el fondo, éstos transportan las mismas cantidades de material de fondo bajo condiciones hidráulicas semejantes.

Esto no ocurre con el material de lavado. En forma general, un río puede transportar tanto material de lavado como llegue a él, casi independientemente de las características hidráulicas de la corriente. Así, dos ríos semejantes con igual material de fondo pero uno con cuenca protegida o forestada y otro con una cuenca desprotegida con fuertes

1 GARCÍA FLORES, Manuel; MAZA ALVAREZ, José Antonio. Manual de Ingeniería de ríos. Cap. 10:

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pendientes y material suelto sobre su superficie, arrastran cantidades completamente diferentes de material de lavado, llegando el primero al extremo de no transportar ese material.

Como se ha indicado, se clasifica como material de lavado o en suspensión a todo aquel material fino que no se encuentra representando en el material de fondo. Cuando los diámetros de este último no son conocidos, se establece como límite entre ambos materiales al diámetro 0.0062 mm. De esta manera, el transporte de lavado es el que se forma por todas las partículas menores que ese diámetro.

El transporte de lavado siempre tiene lugar en suspensión, y es por eso que también es conocido como material de suspensión. Mientras tanto, el transporte del material de fondo puede darse dentro de la capa de fondo o en suspensión. La capa de fondo, como su nombre lo indica, se encuentra justo arriba del lecho de un cauce. Albert Einstein, quien introdujo este concepto, le asignó un espesor igual a dos veces el diámetro de la partícula considerada. Por lo tanto, en una condición real hay tantas capas de fondo como partículas de diferente tamaño se tengan en el fondo. Ver Lámina (2.1)

Lámina 2.1

2.1.2-Definición de Transporte de Sedimentos

2

.-

Se denomina transporte de sedimentos al estudio de los procesos de erosión, iniciación del movimiento, transporte, depósito y compactación de las partículas sólidas. La teoría se ha desarrollado para lechos granulares (no cohesivos). La hidráulica fluvial relativa a lechos cohesivos está en sus principios.

2.1.3 Clasificación del Transporte de Sedimentos

3

.-El transporte de sedimentos por un río lo podemos clasificar en función a dos criterios: según el método de transporte y según el origen del material.

• Según el método de transporte, éste puede ser en suspensión y de fondo. El material en suspensión está sostenido por la turbulencia del flujo y se traslada con el caudal de agua, haciendo una mezcla. El material de fondo se traslada mediante tres formas: rodando, deslizando y saltando.

2 IBIDEM

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• Según el origen del material, éste puede provenir del cauce y de la cuenca. Hay que aclarar que esta clasificación se refiere a un evento de lluvias y crecida fluvial, ya que, como es lógico, a largo plazo todo el material es proveniente de la cuenca. El material del cauce se transporta en suspensión y de fondo. El material de la cuenca es un material fino que también se conoce como material de lavado de cuenca, y el método de transporte es en suspensión. El material en suspensión suma material de los dos orígenes, y el de fondo es sólo del cauce.

Un criterio práctico para separar un origen de otro es por el tamaño de las partículas D= 0.0625 mm. Como mencionamos anteriormente, el material menor a este diámetro procede mayormente del lavado de la cuenca, mientras el tamaño superior proviene del cauce del río.

Esto se entiende mejor en el siguiente esquema:

MODO DE TRASNPORTE ORIGEN DEL MATERIAL

EN SUSPENSIÓN DE FONDO

CUENCA LECHO

El transporte en suspensión puede representar el 90% o más de todo el transporte sólido de un río, del cual el material de lavado puede ser una gran parte. El material de lavado está ligado a las características hidrológicas de la cuenca: litología, suelos, pendiente, vegetación, precipitación, escorrentía, etc.

El material en suspensión tiene gran repercusión en la formación de los deltas o en la

colmatación de los embalses.

El transporte de fondo, aproximadamente el 10% restante, tiene una repercusión morfológica sobre el río mismo, pues es el causante de sus modificaciones y esto hace que sea de interés para la ingeniería fluvial. El transporte de fondo, como ya hemos mencionado, está ligado a las características del cauce: anchura, pendiente, granulometría, caudal, etc.

2.1.3.1.-Sedimentos en Suspensión

4

.-

Los sedimentos en suspensión provienen de tres fuentes de transporte: • Transporte de Sedimentos del Fondo en Suspensión.

• Transporte de Lavado.

• Transporte en Suspensión propiamente dicho. •

Para comprender cómo es la estructura del transporte de sedimentos debe verse la figura 2.1. A continuación trataremos de explicar en qué consiste cada tipo de transporte, así como su forma de medición:

4 IBIDEM

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A.- Transporte de Sedimentos de Fondo en Suspensión.-

Este tipo de transporte está formado por el material del fondo del cauce, que es transportado por la corriente en suspensión, es decir, dentro del seno del líquido, arriba de la capa de fondo.

El flujo, debido a su velocidad y turbulencia, levanta las partículas del lecho y las mantiene en suspensión, aunque continuamente se produce un intercambio entre las partículas que están en la capa de fondo y las que se transportan en suspensión propiamente dicha.

La concentración del número de partículas en suspensión desminuye cuando la turbulencia y velocidad de la corriente decrece. Cuando esto ocurre, una cierta cantidad de partículas retorna al fondo. A este arrastre se le designa con el subíndice BS.

El material de fondo es granular en la mayoría de los ríos, es decir, está formado por partículas sueltas de arena, grava o boleos. Las fuerzas que tratan de mover esas partículas son las de arrastre y sustentación que la corriente ejerce sobre ellas. Las fuerzas que tratan de oponerse al movimiento son el peso propio de cada partícula y la fricción que se desarrolla al descansar sobre las otras partículas, la que también es función del peso. Al ser levantadas y puestas en suspensión, el peso de cada partícula es la única fuerza actuante para que éstas retornen al fondo puesto que el empuje es despreciable.

La distribución de la concentración de partículas, en una vertical, es más uniforme mientras más fino es el material y mayor es la turbulencia de la corriente. Cuando el material es grueso o la turbulencia es menor, se tiene muy poco material en suspensión cerca de la superficie, y concentraciones mayores cerca del fondo.

El transporte de fondo en suspensión se calcula en función de las características hidráulicas de la corriente, la geometría del cauce y las propiedades físicas del material del fondo. También se puede obtener en función de los primeros dos aspectos señalados, y de una muestra de agua-sedimentos tomada en un punto conocido de la sección. De esta manera, se debe de obtener la concentración de las partículas en suspensión y las propiedades físicas de las mismas.

B.- Transporte de Lavado.-

Está formado por el material fino que es transportado en suspensión y que no se encuentra representado en el material del fondo del cauce. Al considerar una sección determinada, todo el material de lavado procede de los tramos de aguas arriba. Su origen se encuentra en el suelo de la cuenca, erosionado por las gotas de lluvia, o proviene, en ocasiones, de la erosión que el mismo río produce en sus márgenes.

Cuando no se conoce el tamaño de las partículas del fondo, aquellas transportadas en suspensión y menores de 0.062 mm., éstas se consideran como material de lavado. Se denominan con el subíndice L.

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El transporte de lavado depende de la cantidad de partículas finas que la cuenca aporta al río bajo la acción de una lluvia. Como no es función de las características hidráulicas de la corriente, sólo se puede evaluar cuando se toma una muestra de agua con partículas en suspensión y se separa la porción que no está representada en la curva granulométrica del material del fondo.

C.-Transporte en Suspensión.-

Está formado por la totalidad de las partículas que son transportadas en suspensión. Por tanto, el transporte en suspensión es igual a la suma del “de fondo en suspensión “ más el “de lavado”. Se designa con el subíndice S. Así, se cumple la relación:

gs = gBS + gL Ec. .2.1.1 Cuando se toma una muestra de agua en una corriente natural, siempre se obtiene la concentración relacionada al transporte en suspensión porque en ella puede haber material de lavado y partículas que proceden del fondo.

Una muestra que sólo tenga material de lavado se puede obtener en la zona de un río en el que las velocidades sean muy bajas y el flujo no pueda levantar las partículas del fondo. Una muestra que contenga únicamente material de fondo en suspensión se obtiene en un canal de laboratorio con fondo arenoso y donde se use agua limpia. En la naturaleza, este tipo de muestra se encuentra en algunos afluentes en la zona de montaña. Pero también en los canales de comunicación que hay entre lagunas costeras y el mar pues, al subir la marea y entrar el agua de mar, ésta lo suele hacer libre de arcillas y limos.

Al tomar una muestra de agua-sedimento conviene separar el material que procede del fondo y el material de lavado. La forma más práctica de hacerlo es pasar la muestra a través de una malla 200 con una abertura de 0.074 mm. (valor cercano a 0.062 mm, establecido como separación entre ambos materiales). Las partículas retenidas en la malla corresponden al material del fondo, y las que pasan y quedan en la charola, al material de lavado.

2.1.3.2.- Transporte de Fondo

5.

-

El transporte de fondo está formado por el material del fondo transportado por la corriente, tanto dentro de la capa de fondo como en suspensión. Por tanto, el transporte de fondo es igual a la suma del Arrastre en la Capa de Fondo más el Transporte de Fondo en Suspensión. Se designa con el subíndice BT. Así, se cumple la relación:

gBT = gB + gBS Ec. .2.1.2 A continuación hablaremos del significado del Arrastre En La Capa De Fondo, pues lo que significa el Transporte de Sedimentos de Fondo en Suspensión ya lo tratamos en el punto anterior.

5 IBIDEM

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Arrastre en la capa de Fondo.-

El arrastre en la capa de fondo es el material del cauce arrastrado por la corriente dentro de la capa de fondo. Su espesor, según Einstein, es igual a dos veces el diámetro de la partícula considerada. Otros autores como Van Rijn y Pacheco– Cevallo, han propuesto diferentes espesores para esta capa de fondo. Cuando esto ocurre, el valor de ese espesor se indica claramente en la presentación del método correspondiente.

A este arrastre se le designa con el subíndice B.

El arrastre en la capa de fondo se calcula en función de las características hidráulicas de la corriente, de la geometría del cauce y de las propiedades físicas del material del fondo. Para hacer este cálculo hablaremos de la cuarta fórmula de Meyer– Peter para la cuantificación del Arrastre de Sedimentos en el cauce.

2.1.4.- Formulas de Meyer-Peter y Muller

6

.-

Las fórmulas de Meyer-Peter y Muller para calcular el arrastre en la capa de fondo fueron obtenidas a partir de experiencias realizadas de 1932 a 1948 en el Instituto Tecnológico Federal de Zurich. En 1948 se presentó un resumen de todas ellas.

Los autores mencionados efectuaron cuatro series de pruebas para material granular con las siguientes características:

1. Partículas de diámetro uniforme con peso específico de 2680 kg f / m3

2. Partículas de diámetro uniforme, pero usando en cada prueba uno de tres materiales con peso específico diferente

3. Partículas de diferentes tamaños, es decir, granulometrías, más o menos graduadas, con peso específico de 2680 gB igual que la 1, pero realizando, además, pruebas para otros dos materiales con pesos específicos diferentes.

Ahora hablaremos de la cuarta fórmula, puesto que es la más completa y es la que usaremos para las estimaciones a realizar.

2.1.4.1.- Cuarta Fórmula de Meyer-Peter y Muller.-

La cuarta fórmula es el resultado de la cuarta serie de ensayos que se llevaron a cabo con mezclas de partículas de diferentes diámetros, pero para los tres diferentes pesos específicos.

De los resultados obtenidos consiguieron una ecuación general para evaluar el arrastre en la capa de fondo. Ésta fue dada a conocer en 1948, e incluye los resultados de la tercera serie de ensayos. La expresión general propuesta es7:

Ec. 2.1.3

6 GARCÍA FLORES, Manuel; MAZA ALVAREZ, José Antonio. op.cit. PP.65-67. 7 Q : Gasto/Caudal Total.

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Ésta fue la primera fórmula dimensionalmente correcta dada por Meyer-Peter y Muller y, por tanto, las constantes que en ella intervienen son adimensionales. Si en lugar de expresar arrastre como peso sumergido se expresa como peso seco, se debe utilizar la fórmula de

B= gB ((γS – γ)/γS)

Al tenerla en cuenta y ordenarla convenientemente, la ecuación 2.1.3 toma la siguiente forma:

Ec. 2.1.4. O bien:

Ec. .2.1.5 Si se consideran materiales naturales, es decir, si en la ecuación 2.1.5 se sustituye

γS=2680 kg f / m3, ∆= 1.68 y g= 9.81 m/s2, dicha ecuación toma la forma:

Ec. .2.1.6 Cuando se trabaja en ríos o canales anchos en que B>=40d, se cumplen las ecuaciones anteriores, en donde se obtiene que RB es aproximadamente igual al radio hidráulico de la

sección. Por lo tanto, se puede escribir:

Ec. .2.1.7 Esto se cumple para el párrafo anterior.

Al despejar el arrastre en la capa de fondo de la ecuación 2.1.5 y teniendo en cuenta la ecuación 2.1.7, se obtiene:

Ec. .2.1.8

Al sustituir la ecuación de la cortante en la ecuación 2.1.8, esta última toma la siguiente forma:

Ec. 2.1.9 Las ecuaciones 2.1.8 y 2.1.9 expresan la forma explícita y práctica más usual de la ecuación de Meyer-Peter y Muller. Si la cantidad de partículas transportadas en la capa de fondo se desea expresar en m3/s, se debe tener en cuenta la ecuación del transporte unitario. Con ello, el parámetro γS se elimina en las dos últimas ecuaciones.

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A continuación presentamos un pequeño gráfico para que el lector se oriente más sobre los métodos para cuantificar y los tipos de transporte:

Figura 2.18

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2.2.- SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES 9.-

2.2.1.-

INTRODUCCIÓN.

-

Los embalses son infraestructuras que suponen una clara discontinuidad en el gradiente longitudinal de procesos propios de los ríos. Junto con el agua, los embalses «regulan» también los aportes de materiales en suspensión y los arrastres de sólidos transportados por los ríos. El balance de esta regulación tiene como resultado una retención neta de todos estos materiales en forma de sedimentos, dando lugar a la colmatación.

En la actualidad, la colmatación de embalses es un problema ambiental de primer orden. Ciertamente, las consecuencias ambientales de la colmatación de embalses van más allá de la regresión de deltas o las pérdidas de volumen embalsable, y afectan, o pueden afectar, al funcionamiento general de los embalses como ecosistemas acuáticos. No hay soluciones definitivas ni para nuevos embalses ni para embalses en funcionamiento, pero existen medidas tanto preventivas como correctoras que pueden contribuir a minimizar los procesos de colmatación de embalses y/o a reducir los efectos ambientales derivados.

Uno de los principales problemas que a menudo afectan a los embalses, es su pérdida de capacidad debido al depósito del sedimento en su interior. Independientemente de que, parte del diseño de embalses es disponer de un volumen para almacenar dichos azolves, muchas veces rebasado de forma rápida y con la consecuente pérdida de volumen útil en el embalse. En otras presas, aunque el volumen reservado para los azolves no haya sido sobre pasado, la velocidad con la que se pierde hace prever que el embalse perderá capacidad de almacenamiento antes de lo previsto, con la consiguiente disminución de disponibilidad de agua. En algunos casos extremos, como es el caso del reservorio de Poechos, el embalse puede ser inutilizado parcial y totalmente.

Si además se considera que los costos para evitar la erosión de las cuencas son elevados y con resultados a largo plazo, y que también lo son los costos de extracción del material depositado, entonces se entenderá por qué en muchas ocasiones es mejor construir un nuevo embalse en lugar de rehabilitar el azolvado. Esta rehabilitación no siempre es posible, pues además de las altas inversiones económicas, cada vez son más escasos los sitios donde es posible construir una nueva cortina.

2.2.2.-

DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO Y METODOLOGÍA GENERAL DEL ESTUDIO

.-

Al interponer un obstáculo a un río, se origina un estancamiento, por lo cual el sedimento transportado se comportará según el mecanismo de la figura 2.2.

Al entrar la corriente al embalse, el material grueso se depositará según la disminución de la velocidad del agua por el efecto de paliación del cauce y el crecimiento del tirante, formado en la “cola” del vaso, una acumulación de sedimento grueso denominado delta.

9 GRACIA SÁNCHEZ, Jesús. Manual de Ingeniería de Ríos. Capítulo 18: Sedimentación de Embalses.

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El sedimento más fino continuará hacia adentro del vaso como una corriente de densidad para posteriormente, al detenerse, depositarse en el fondo del mismo.

Existen embalses en los que tal corriente no llega a formarse y se produce en el vaso, o en gran parte del mismo, una turbidez generalizada que evolucionará según la dinámica particular del almacenamiento.

Fig. : 2.2. Esquema general del comportamiento de un embalse

El mecanismo de sedimentación descrito es en realidad más complejo, ya que depende de muchos otros factores, como son la estratificación de temperaturas, forma, dimensiones y características especiales del embalse, operación, características fisicoquímicas del sedimento y las características de la avenida de ingreso, entre otros. El delta se moverá hacia adentro del embalse según las características de las avenidas y la variación de los niveles en el vaso. En los grandes embalses, la importancia de la formación del delta radica en el efecto que causa aguas arriba del rió, y por el volumen que ocupa dentro del vaso puede llegar a ser tan acentuada como para poner en peligro las instalaciones en la cortina.

Cuando la presa no es muy grande y sus extracciones o derrames son muy frecuentes, es posible que el delta ocupe gran parte del vaso, y en tal caso el sedimento grueso sí constituye la principal pérdida de capacidad, ya que gran parte del material fino es muy probable que no sea retenido, pues continuará aguas abajo.

El material que se deposita en el fondo del embalse estará sujeto a una compactación al transcurrir el tiempo. Este efecto se verá acentuado al cambiar sensiblemente los niveles en el vaso, haciendo que se produzca un alternado secado y humedecimiento del material sedimentado. Esto induce a dos problemas importantes: uno es el cambio de volumen depositado a través del tiempo, que repercute en la cantidad de agua almacenada. Y el otro es la dificultad de remover sedimento altamente compactado. Las corrientes de densidad, aunque son un fenómeno que fácilmente se puede generar en un laboratorio, sufren grandes dificultades para ser detectadas en campo. Por esta razón no ha sido posible definir una clara relación entre los trabajos teóricos y el fenómeno real. Esto es particularmente importante, porque el manejo de una corriente de densidad permitiría, en algunos vasos, aliviar el problema de sedimentación. Y es que, al conocer su comportamiento, tal vez podrían extraerse del embalse antes de que el material que transportan se sedimentara.

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Cuando la corriente de densidad no llega a formarse y solamente genera turbidez en el embalse, lo que generalmente ocurre con concentraciones bajas de sedimento, el problema principal no radica en la cantidad depositada, sino en la afectación de la calidad del agua.

Dicho problema se vuelve fundamental desde el punto de vista ecológico, pues muchas veces se producen alteraciones de la flora y la fauna del almacenamiento en cuestión. Y esto altera la calidad del agua que, en condiciones, se emplea como potable para una población.

2.2.3.-

CÁLCULO DEL APORTE DE SEDIMENTOS

.-

Para determinar la cantidad de aporte de sedimento que entra a un vaso existen diferentes procedimientos: a) la medición directa dentro del embalse, b) el aforo del transporte de sedimento en la corriente de entrada, y c) el empleo de criterios de predicción. Evidentemente, la aplicación de cada uno de ellos dependerá de la información disponible y el grado de precisión en el cálculo.

Determinar la cantidad de material sólido que entra en un vaso es, sin duda, uno de los aspectos más importantes en el estudio del problema de sedimentación de un embalse. Pero también es la parte más difícil de evaluar, y donde se ha logrado menos avances. El principal medio para evitar el problema de pérdida de capacidad de un embalse es disminuir la erosión en las cuencas. Ésta, incluso, es la principal solución recomendada por diferentes autores.

A) MEDICIÓN DIRECTA DE SEDIMENTO DEPOSITADO EN UNA EMBALSE.-

Generalmente este tipo de mediciones se hacen empleando fotografía aérea y levantamiento topográfico cuando el vaso se vacía, y batimétricos cuando el sedimento está constantemente sumergido.

La frecuencia con que deben hacerse estas mediciones de sedimento depositado depende del tipo de embalse y de la disponibilidad técnico-económica para realizarlas. En Argentina se hacen los levantamientos cada vez que se estima que el embalse ha perdido el 55% de su capacidad. En Kenia se hacen, al menos, una vez al año. En China se realizan los levantamientos antes y después de la época de avenidas.

B)

PREDICCIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTO Y AFORO

.-

Para determinar el transporte de fondo o en suspensión, además del aforo directo, existe una gran cantidad de métodos para hacer la cuantificación, métodos que ya hemos mencionado antes.

En el caso del material de lavado es más difícil la predicción, por lo cual se recomienda aforo directo. Tal procedimiento consiste en aforar de manera regular el material sólido que transporta una corriente durante cada año, al menos durante la época de avenidas. La bibliografía disponible para realizar tales mediciones es extensa. Sin embargo, en la práctica aun existen serias dificultades para hacer compatibles las mediciones de campo con los criterios existentes para calcular la cantidad de sedimento transportado.

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El material que viaja por el fondo es, en especial, difícil de medir, y generalmente hay grandes discrepancias con los criterios de cálculo, como por ejemplo el de Meyer-Peter o el de Einstein-Brown, entre otros.

Es necesario señalar que en muchos casos se considera que existe una relación fija entre el transporte de fondo y el que viaja en suspensión. Sin embargo, esto algunas veces puede ser muy variable debido a factores geológicos y climáticos. Hay que recordar que, mientras el transporte de fondo y el que viaja en suspensión dependen de las características hidráulicas de la corriente, existe otra gran parte de sedimento, llamado de lavado, que viaja en suspensión con la corriente. Este sedimento puede ser sensiblemente diferente y dependerá de las características erosivas de la lluvia.

Existe una clara tendencia en la práctica a determinar relaciones para cada caso particular, entre el gasto y el transporte de sedimento. Esto ha sido satisfactorio en algunos casos, pero en otros no.

C)

CRITERIOS DE PREDICCIÓN DEL APORTE DE SEDIMENTO

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De lo mencionado en los incisos anteriores, se puede observar que el apartado (a) es sólo aplicable a embalses ya construidos como el de Poechos. Es obvio que se refleja claramente el depósito de sedimento en el embalse. El segundo apartado (b) también es un procedimiento confiable para la cuantificación del sedimento susceptible de depositarse en el embalse. Sin embargo, con ambos procedimientos no es posible determinar cuál sería el depósito si durante la vida del embalse cambian las condiciones de la cuenca de aporte o las características de la corriente.

Visto de otra manera, en los nuevos proyectos (embalses), donde las mediciones de transporte de sedimento no son suficientes o bien no existen, el problema de determinar el aporte de sedimento se vuelve difícil. Por esta razón se han desarrollado diversos métodos para determinar, a partir de las características de la cuenca y del régimen de lluvias, el posible aporte de sedimento. Lamentablemente, estos criterios no han sido suficientemente desarrollados, y los errores que pueden cometerse en el cálculo pueden llegar a ser muy grandes.

El criterio que hasta el momento parece ser el más prometedor es la Fórmula Universal de Pérdida de Suelos (FUPS), propuesta por Wischmeier y Smith. Este criterio, originalmente empleado para determinar el aporte de sedimento en pequeñas extensiones de terreno, ha sido modificado para emplearse en cuencas.

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2.3.- SEDIMENTACIÓN ACELERADA DE EMBALSES

10

.-

2.3.1.-

INTRODUCCIÓN.

-

Para el aprovechamiento de los cursos de agua se requiere, en muchos casos, de la construcción de presas de embalse, como es el caso de la Región Piura. El objeto de éstas es regular el caudal del río mediante la creación de un lago artificial que proporciona un volumen de almacenamiento. Así, se obtiene el agua en la cantidad y oportunidad requerida para su uso en un proyecto.

En general, los embalses creados al construirse una presa son de dos tipos: los ubicados sobre el lecho del río y los laterales.

Cuando se construye una presa en el lecho de un río, ésta actúa como una trampa de sedimentos. Una parte de los sólidos transportados por la corriente queda retenida en el embalse, disminuyendo así el volumen de almacenamiento. Por esta razón se considera en el diseño un volumen de embalse adicional al requerido, para satisfacer las necesidades del proyecto y que así sirva para el depósito de los sólidos depositados en el embalse.

Este volumen se llenará con el transcurso del tiempo. A este volumen adicional se le conoce con el nombre de “volumen muerto”. Pero este término es equívoco. Podría decirse, para mayor precisión, que es el volumen muerto por sedimentación, y no por cota de derivación.

La sedimentación que ocurre aguas arriba de una presa es un fenómeno inevitable. Su origen es muy sencillo: al elevarse artificialmente los tirantes (calados) del río y aumentar considerablemente la sección, la velocidad de la corriente disminuye y, aun en avenidas, pueden tener valores muy pequeños, por lo menos “la velocidad media” teórica. En el río Chira, durante una avenida del orden de los 3000 m3/seg., en una sección ubicada unos cientos de metros aguas arriba de la presa, la “velocidad media” sería apenas de unos milímetros por segundo. Las velocidades pequeñas favorecen la sedimentación.

No existe una terminología uniforme para describir los fenómenos sedimentológicos. Para el caso específico de la sedimentación de embalses existen varios términos: colmatación, Azolvamiento, atarquinamiento. Esta última viene del árabe “traquim”, que significa barro o lodo. Ahora, aceptemos todas estas expresiones como equivalentes. Más importante que el término que usemos es que quede claro a qué parte del embalse nos estamos refiriendo.

Mientras lo que se está llenado de sedimento es el lugar previsto al ritmo medio esperado, la sedimentación es un fenómeno normal de hidráulica fluvial. Pero cuando la sedimentación es muy intensa y excede los previstos, estamos frente a un caso de colmatación acelerada. Ahora ya no se trata de un problema de hidráulica fluvial, sino de un problema que afecta al proyecto mismo, no sólo en su economía sino en su razón de ser.

10 ROCHA F., Arturo. Sedimentación acelerada de Embalses. Lima: revista EL INGENIERO CIVIL.

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Cuando la reducción de su volumen útil alcanza un cierto valor crítico, característico de cada proyecto, se ha llegado al fracaso económico. Es la existencia misma del proyecto la que está en juego. Cada metro cúbico de sedimentos depositado fuera del lugar previsto representa un metro cúbico menos de volumen de regulación y, en algunos casos, varios metros cúbicos menos de volumen regulado.

En la figura 2.3 se observa un esquema de definición de algunos de los elementos característicos de un embalse sin sedimentos.

Fig. 2.3: Definición de términos para un Embalse según ICOLD Obsérvese que el volumen muerto esta definido por la cota de captación

No corresponde al volumen muerto por sedimentación ver figura 2.5

Figura 2.4 Significado de los términos de un Embalse en proceso de Sedimentación Nótese como es que un mismo volumen de sedimentos puede depositarse en lugares diferentes del

Embalse moverse dentro de el y ocupar o no el volumen muerto por cota de derivación.

2.3.2.-

FACTORES QUE INTERVIENEN PARA LA DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN MUERTO11.-

Son varios los factores que intervienen en la determinación del Volumen Muerto, que debe considerarse en un proyecto de embalse. Sin embargo, todos ellos giran en torno a una idea principal: saber cuál es la cantidad de sedimentos que traerá el río en los años futuros y calcular qué porcentaje de esa cantidad quedará retenido en el embalse. Todo esto para un periodo dado. Como generalmente las cantidades de sólidos se expresan en peso (a partir de concentraciones o de fórmulas de transporte), habrá que trasformar el peso a volumen, lo cual no es nada fácil de determinar porque puede variar dentro de grandes rangos.

11 ROCHA F., Arturo. op. cit. pp. 13

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La diferencia entre el aporte y la evacuación de sólidos a lo largo de la vida asignada al proyecto es lo que nos da el Volumen Muerto a considerarse en los cálculos. Éste servirá, finalmente, como uno de los elementos para obtener la altura de la presa. Hasta aquí el problema es bastante complejo. Se complica aun más cuando notamos que no basta identificar el Volumen Muerto como un “volumen”, sino también como un “lugar”. Debemos conocer el Volumen Muerto como un cierto número de metros cúbicos, pero también hay que predecir el lugar del embalse donde se va a depositar ese volumen.

2.3.3.-

MECANISMO DE DECANTACIÓN Y SU DESARROLLO EN EL TIEMPO12.-

Lo más simple y cierto que podría decirse sobre el mecanismo de decantación en un embalse es que las partículas gruesas se depositan aguas arriba y las finas aguas abajo, cerca de la presa. Ésta es la tendencia general. Su realización depende de cuán extensa sea la curva granulométrica, del tamaño y forma del embalse, del nivel de operación y de muchos otros factores.

Es decir, cuando el aporte sólido cubre una extensa gama de diámetros (desde arcillas hasta piedras) y la presa da lugar a un volumen y consiguiente curva de remanso importante, entonces las piedras, las gravas y una parte de las arenas gruesas sedimentarán escalonadamente, aguas arriba en “la cola del embalse”.

Pero el material más fino, constituido por una parte de las arenas y por los limos y arcillas, penetrará más en el embalse. Finalmente, la porción más fina puede no sedimentar y seguir aguas abajo.

Es decir en un embalse dado, existe para, cada porción granulométrica y para cada condición de operación una determinada eficiencia de retención que varia de 100% a 0%. Es por eso que es importantísimo saber la curva granulométrica del material que ingresa al embalse y de sus propiedades físicas. El material sedimentado ocupa un volumen y un lugar.

El volumen se calcula en función de varios factores antes mencionados, pero el lugar, que no es necesariamente el volumen muerto por cota de derivación, debe ser cuidadosamente estudiado. Esto es decisivo, no sólo para la correcta ubicación de la toma. Específicamente para calcular su altura con respecto al fondo. De acá que una de las soluciones para contrarrestar los efectos de los sólidos sea la de ubicar tomas alternativas a diferentes alturas.

Para el cálculo del volumen muerto es muy importante la correcta estimación del “peso especifico” de los sedimentos. Es decir, del volumen que corresponde a un peso dado de sedimentos.

12 ROCHA F., Arturo. op. cit. pp. 16

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Este peso específico del material sedimentado depende de varios factores como el tiempo, composición granulométrica y régimen de operación del embalse. Su determinación es bastante difícil y constituye una importante fuente de error para el cálculo del volumen muerto. Veamos a modo ilustrativo dos casos extremos:

- Un embalse, siempre, o casi siempre con sus sedimentos sumergidos, en el que estos están constituidos por arcilla. El peso especifico al cabo de 50 años, seria de 640 Kg./m3.

- Un embalse que esta vació mucho tiempo (sedimentos aireados), en el que estos están constituidos por arena y grava. El peso especifico al cabo de 50

Años seria de 2080 Kg./m3.

Esto significa que un millón de toneladas de material sólido (obtenidas por cálculo o medición), luego de depositar en una embalse pueden alcanzar al cabo de 50 años un volumen de 1.56 millones de m3 o de 0.48 millones de m3.

De acá la importancia del conocimiento de la curva granulométrica y el régimen de operación del embalse, a futuro. Obviamente, en la mayor parte de los casos, estos “datos” serán supuestos de diseño y habrá que pensar necesariamente en soluciones de gran flexibilidad para controlar los sólidos en el embalse.

2.3.4.-

CONSECUENCIAS DE LA PÉRDIDA DEL VOLUMEN ÚTIL DE LOS EMBALSES13

.-El volumen útil es el que sirve para las necesidades del Proyecto. Hay grandes aprovechamientos hidráulicos que se hacen sin obras de regulación, porque las condiciones naturales lo permiten. Pero hay otros, como los que nos ocupan, en los que es necesario “corregir a la naturaleza” para tener agua a voluntad a lo largo del año. Es acá donde aparecen las presas, como elementos extraños, al río, insertados en él, que provocan varias respuestas. Una de ellas es la colmatación del embalse creado y la pérdida de su volumen útil.

El volumen de un embalse tiende a disminuir con el paso del tiempo por la acumulación de sedimentos. En la figura 2.5 se observan varias curvas, de carácter esquemático, cada una de las cuales representa la relación entre la altura y el volumen de almacenamiento de una embalse, en un instante del tiempo de su vida.

La curva A corresponde a la denominada situación inicial T= 0 antes de empezar la construcción de las obras de represamiento. Esta curva, característica del embalse, es muy importante. Es la potencialidad del lugar del embalse. Un lugar de embalse es un recurso natural que debe de aprovecharse lo mejor posible. La curva A representa un volumen potencial, que con el paso de los años podrá ser agua, o de piedras y lodo. Como esta curva es uno de los componentes para determinar la altura de la presa es conveniente que tenga una alta confiabilidad. Debe de prestarse mucha atención a los métodos topográficos con que ha sido obtenida.

13 ROCHA F., Arturo. op. cit. pp. 17

(17)

El error en la estimación del volumen para una altura dada puede ser muy importante. Así por ejemplo, si en un embalse cuyo volumen total es de 200 mmc, y en el que el volumen muerto se ha estimado en 100 mmc, se hubiera cometido un error del 10% en el calculo del volumen total y si admitimos que el volumen muerto se llena en la forma, cantidad y tiempo previsto (en lo que puede haber un error muchísimo mayor que el 10%), entonces el volumen útil tendría una variación del 20% como puede comprobarse fácilmente.

Estos cálculos simples nos hacen ver la necesidad de disponer de datos topográficos muy precisos, desde las etapas iniciales de un estudio. No debemos caer en el error de basar un proyecto en “curvas de altura-volumen” obtenidas a nivel de factibilidad, pues esta expresión carece de sentido real. La calidad de la información topográfica esta asociada a un error, y éste, a un costo o incertidumbre que debe evaluarse según la importancia y las características del proyecto.

En los embalses en los que el Volumen muerto es pequeño con respecto al volumen total de almacenamiento se puede ser menos exigente en su exactitud. Pero en los embalses en los que el volumen muerto representa un porcentaje apreciable del total se debe de poner mucho cuidado en su cálculo, y adoptar necesariamente, soluciones flexibles. En estimaciones de cantidades de sólidos los errores del orden del 100% están dentro del orden de magnitud que debemos de manejar. La curva A ilustra la situación del embalse sin sedimentos.

Con el paso del tiempo los sedimentos se acumularán progresivamente en el embalse. Esta acumulación no es lineal con el tiempo. Puede haber varios años en los que la colmatación, la acumulación de sedimentos, sea pequeña, pero en un sólo año puede ingresar al embalse una cantidad igual a la de varios años anteriores juntos.

Los métodos usuales consideran, a partir de un cierto número de años de mediciones, que es posible establecer una ley gasto liquido- gasto sólido.

Admiten además que esta ley seguirá siendo valida en el futuro y admiten también, entre otras cosas, que se presentarán determinadas series hidrológicas a las que se aplicará la “ley” y se obtendrán los caudales sólidos dentro de los 50,100, o 200 años.

Figura 2.514

14 ROCHA F., Arturo. op. cit. pp. 18

(18)

2.3.5.- Métodos para aumentar la vida del embalse

15

.-

Iniciada la construcción de la presa, específicamente al empezarse la ataguía, comienza la sedimentación. Esta es inevitable y avanza inexorablemente con el tiempo.¿cómo alargar la vida del embalse? Intentemos hacer una lista de los medios que se emplean, según las características y peculiaridades de cada embalse:

a) Control de la erosión en la cuenca, mediante acciones de preservación.

b) Disponer de un volumen muy grande reservado para el depósito de los sólidos. c) Incorporar a la presa sistemas de purga.

d) Construir aguas arriba presas para la retención de los sedimentos. e) Remoción mecánica de los sedimentos.

Naturalmente que el método mas efectivo y seguro es el de atacar el problema desde su origen. Las cuencas que producen grandes cantidades de sedimentos presentan por lo general otros tipos de problemas que deben de tratarse en conjunto. Pero que básicamente responden al gran problema de la deforestación.

15 IBIDEM

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