PEQUEÑAS OBRAS
HIDRÁULICAS
Aplicación a cuencas andinas
Rogel Mattos Ruedas
INDICE GENERAL
CAPITULO 1
CONSIDERACIONES SOBRE LAS CUENCAS ANDINAS
CAPITULO 2
LA CUENCA ANDINA Y SU MANEJO SOSTENIBLE
CAPITULO 3
EROSION Y TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
CAPITULO 4
VERTEDEROS DE EXCEDENCIAS
CAPITULO 5
DISIPACIÓN DE ENERGIA
CAPITULO 6
OBRAS DE CONTROL EN RIOS DE MONTAÑA
CAPITULO 7
OBRAS DE TOMA
CAPITULO 8
CANALES
BIBLIOGRAFIA
CAPITULO 1
CONSIDERACIONES SOBRE LAS CUENCAS ANDINAS
La cordillera de Los Andes ha cobijado desde tiempos remotos a diversas culturas, que encontraron en su medio ambiente el hábitat que permitió su desarrollo en un marco concordante con las posibilidades y equilibrio naturales. La variedad de pisos ecológicos ofrecía al ser humano las condiciones para satisfacer las necesidades de manera integral.
La historia de Bolivia, registra un período importante desarrollado antes de la conquista, que echó sus raíces en los pueblos andinos que originalmente se asentaron en este territorio y que tuvieron un desarrollo cultural, organizativo y político, forjando un sistema económico-productivo muy eficiente, fundado en una sólida organización social que posibilitó el desarrollo de tecnologías adecuadas para contrarrestar las condiciones climáticas y fisiográficas adversas.
En el ámbito productivo agrícola y pecuario se perfeccionó el uso y manejo de la tierra, el agua y otros recursos; paralelamente se llegó a un exitoso aprovechamiento de los animales y las plantas mediante la domesticación y el fitomejoramiento.
El desarrollo de la agricultura en Los Andes ha estado asociado a la variedad climática y la biodiversidad, concibiendo el espacio útil como un sucesión de pisos ecológicos, de manera que aún la distribución demográfica y sus interrelaciones han estado unidas a esta característica.
Esta diversidad cambiante y dispersa produjo, a nivel epistemológico, una ciencia agronómica compleja que contrasta con la agronomía de monocultivo que no es sostenible. Desde el punto de vista de la planificación, se desarrolló una agricultura que busca el potencial diferencial y las sinergías de cada zona de vida de acuerdo a la lógica de la complementariedad, justamente, para velar por su sostenibilidad y productividad al mismo tiempo. Condarco llamó a esta estrategia “Simbiosis inter-zonal” y Murray “Control vertical de un máximo de pisos ecológicos” y que contrasta con los actuales planificadores que buscan espacios homogéneos a como dé lugar.
Brusch y Miranda distinguen tres sistemas de control:
- El Vertical o de Archipiélago. En este caso los núcleos monoétnicos tienen control y acceso a recursos y tierras alejadas y discontinuas.
- El Transversal o extendido, típico de los grandes valles interandinos.
- El Horizontal o compacto, característico de pequeños y empinados valles con diferenciación micro-climática a corta distancia.
Otro punto donde se expresó la ciencia de la complejidad andina fue en el control y manejo del riesgo climático: la limitante más grande de la agricultura en Los Andes. El ambiente se caracteriza por su diversidad eco-climática en el espacio y en el tiempo, cincrónica y diacrónicamente. La agricultura andina, siempre estuvo condicionada por el problema de riesgo ambiental, al desarrollarse en un espacio geográfico contrastante, caracterizado por su diversidad ecoclimática, heterogeneidad de paisajes, con la alternancia de años secos y muy húmedos, heladas, granizadas, plagas y enfermedades.
En Los Andes la punta de lanza de la tecnología se ha orientado al manejo de la complejidad. Esta orientación habría surgido de la gran heterogeneidad del ambiente geográfico andino y de la necesidad de manejarla sistemáticamente en el curso de la evolución de sociedades complejas como la andina.
En las sierras altas con su temperatura generalmente baja, el mundo vegetal solo puede desenvolverse al ras del suelo.... la cantidad en la que la temperatura de la superficie excede a la temperatura del aire, aumenta con la altitud. Con el gran aumento de la radiación solar y el ligero aumento de la contraradiación, esta situación es de esperar, y comprobaría que la vegetación montañosa, aún mas que en las llanuras, depende del clima cercano al suelo (Geiger).
Un clásico ejemplo de la utilización de estas relaciones energéticas es la aplicación de andenes para la producción agrícola. Los andenes son terrenos agrícolas artificiales, que producen microclimas en un área reducida. Estos microclimas están determinados por los materiales empleados en su construcción, por su ubicación topográfica, por su geometría, etc. Se ha registrado (Murray) en andenes contiguos temperaturas del suelo que difieren
Para reducir el riesgo climático, disminuyendo la probabilidad de heladas, la construcción de andenes tienen como propósito lograr la máxima capacidad de retención térmica posible. Los andenes retendrán la máxima cantidad de calor recibido del sol durante el día y que luego será perdido durante la noche. La pérdida de calor en el frío de la noche, en forma de radiación OLE calentará la capa fría de aire que se va depositando sobre los terraplenes del andén, obligando al aire caliente a subir y mezclarse con las capas de aire frío que va descendiendo en razón a su mayor densidad. La magnitud de la emisión de la radiación de onda larga emitida en el curso de la noche es una función de la capacidad de retención térmica del andén. Para la captación de calor, el andén presenta dos superficies, la del muro y la del terraplén; a través de ellas se capta la energía solar, en cambio en la pampa se tiene una sola superficie para la captación térmica, siendo sensible a las heladas.
La retención de calor diurno y su emisión nocturna no son las únicas funciones de los andenes en el control de heladas. Los materiales con los que se construyen los muros juegan un papel importante en la captación de energía y la misma geometría de los andenes actúa para inducir la turbulencia de las capas de aire frío que se desliza por las laderas hacia el fondo de los cerros durante la noche.
Por otro lado, la geometría escalonada de la superficie de la ladera, da lugar a una mayor capacidad de retención de agua durante la época de lluvias, logrando mayores niveles de infiltración y por lo tanto a una mejor economía del agua. Por lo tanto un sistema de andenes debe contar necesariamente de un sistema de drenaje adecuado para alcanzar niveles óptimos de gestión de los recursos hídricos.
El desarrollo tecnológico andino fue realmente truncado por la adopción de un modelo de desarrollo científico y tecnológico occidental generado a fines del siglo XVIII.
Desde la conquista se ha sufrido intensos cambios y mestizaje no solo étnico, sino también cultural, que ha incidido directamente en la desarticulación de la organización social, la forma de organizar la producción, las tecnologías empleadas, etc.
Durante la república, la sobreexplotación de los suelos continúa a través del desarrollo tecnológico occidental, manteniendo de esta manera la reducción gradual de los potenciales naturales.
Geológicamente las cuencas andinas se encuentran en formación, lo cual se manifiesta en la fragilidad ecológica, por los procesos de cambio geomorfológico rápidos como la erosión de sus suelos y ríos.
Los cambios negativos son inducidos asimismo por los seres humanos, a través de los asentamientos no planificados o deficientemente planificados, la actividad minera, agropecuaria, forestal, etc., cuyas acciones agotan prematuramente la energía potencial de las cuencas.
El Ande contiene cuencas hidrográficas de gran potencial energético, recursos hídricos y recursos naturales en general, que conforman un sistema de gran biodiversidad.
La necesaria utilización de los recursos hídricos, ha requerido la ejecución de numerosos proyectos de infraestructura. En las cuencas andinas se han ejecutado proyectos hidráulicos en principio asociados a la explotación minera (aducciones para ingenios, agua potable y energía hidroeléctrica), posteriormente relacionados con sistemas de riego de uso agropecuario.
Los componentes productivos asociados a los recursos hídricos, tienen en la zona andina dos expresiones: hidroenergética y agrícola.
De acuerdo a estudios realizados en 1988, la potencia instalada en energía eléctrica en el país alcanzaba los 612 MW, valor que no ha sido modificado sustancialmente hasta el presente. De la cantidad indicada 308 MW corresponden a centrales hidroeléctricas y 304 MW a centrales termoeléctricas. Las centrales hidroeléctricas en su totalidad se encuentran ubicadas en las cuencas andinas. De acuerdo a valores obtenidos por Naciones Unidas y la Empresa Nacional de Electricidad, la potencia instalada se encontraba entre el 2.8% y 1.5% de la potencia económicamente utilizable a nivel de todo el país.
Entre las de mayor potencial se encuentra la cuenca andina del río Beni, del que se utiliza:
- Del potencial teórico 0.3% - Del potencial técnicamente utilizable 1.5% - Del potencial económicamente utilizable 7.5%
Han sido realizados estudios a diferente nivel en varias cuencas del país, alcanzando un número de 30, sumando en total una potencia instalada de 4,284 MW. En la cuenca andina del río Beni se han identificado posibles aprovechamientos hidroeléctricos que alcanzan a un total de 3,119 MW (sin considerar el Proyecto El Bala) que corresponde a un 72.8% de los posibles aprovechamientos a nivel nacional.
Los principales aprovechamientos agrícolas se encuentran ubicados en el área andina de nuestro país, sin embargo en la mayoría de los casos son proyectos de micro riego, que responden a proyectos de tipo social para mejorar las condiciones de subsistencia. Sin embargo, la zona andina de Bolivia produce aproximadamente el 70% de los alimentos agrícolas de la república en alturas entre 500 msnm y 3,800 msnm. Los pequeños productores conducen un tipo de economía mixta con agricultura integrada con ganadería. El potencial productivo está fuertemente afectado por el riesgo climático; en el Altiplano se manifiesta en heladas y prolongadas sequías, en los valles intermedios el riesgo está asociado a la sequía, granizadas y erosión. Se estima en 2 millones he hectáreas las unidades de producción agrícola ubicadas en la zona andina, de los cuales menos del 10% cuentan con alguna forma de riego.
Es fácil advertir que muchas actividades dependen del desarrollo de los recursos hídricos, siendo innegable la relación que existe entre el uso del agua y el desarrollo sostenible - la buena utilización del agua inducirá de manera directa en el buen uso de los recursos naturales.
La planificación del desarrollo requiere necesariamente del conocimiento preciso de los recursos naturales y el medio ambiente, entre los más importantes estará sin duda el agua.
La formación o el cultivo de una cultura hídrica concordante con la naturaleza del medio será la base del desarrollo de cualquier sociedad. No es posible concebir alguna actividad humana sin considerar al agua. La actividad minera, agropecuaria, industrial, turística, etc. debe necesariamente tomar en cuenta al líquido elemento. A partir del agua se tendrá que resolver los problemas asociados a las vías de comunicación y la energía, para contar con las bases fundamentales del desarrollo.
La falta de proyectos asociados a los recursos hídricos, mantendrá los problemas actuales generados por los procesos de migración. El poblador rural andino, en un constante esfuerzo por la sobrevivencia, sacrifica el futuro de su ecosistema, acelerando los procesos de deterioro de los suelos. A medida que la población crece, se incrementa la presión sobre el medio ambiente, debido a la demanda de recursos naturales; esta demanda por lo general no es cubierta por los potenciales presentes en las cuencas, principalmente por las limitaciones tecnológicas y económicas.
Este proceso genera modelos cambiantes de consumo energético, que alteran el equilibrio de sus ecosistemas, produciendo balances negativos que son la causa principal del deterioro socioeconómico en que se debate el hombre andino de nuestro país, situación que se profundiza cuando se presentan cambios o alteraciones del régimen climático.
El desarrollo de los pueblos andinos tiene en el agua el instrumento fundamental para la actividad productiva, cuya racional utilización podría permitir la reducción de las pérdidas de producción actuales y contar con las bases para emprendimientos mayores. Para este efecto es necesario contar con tecnología hidráulica que considere las condiciones naturales que el medio ambiente andino ofrece, logrando de esta manera la ejecución de proyectos hidráulicos con niveles de impacto ambiental sostenibles.
Capítulo 2
LA CUENCA ANDINA Y SU MANEJO SOSTENIBLE
2.1 Características de una cuenca de montaña
Una cuenca de montaña se caracteriza principalmente por las elevadas pendientes de sus suelos y los reducidos caudales que generan.
En los ríos de montaña en equilibrio, los cambios se manifiestan luego de largos períodos de tiempo, debido a la estabilidad de sus suelos y a la protección que representa la vegetación. En los ríos de montaña en desequilibrio, las condiciones de régimen no se presentan, por que los cambios son más rápidos. El desequilibrio se originará debido a la inestabilidad geológica, movimientos de masas por erosión o por intervención antrópica (agricultura, minería, vías de comunicación, etc.).
Un río de montaña o torrente es un curso de aguas superficiales con pendientes pronunciadas que presenta gran diferencia entre los caudales de crecida y de estiaje. Durante la época húmeda, conducen caudales grandes y en época seca los caudales de escurrimiento son muy pequeños, llegando en muchos casos a no tener escurrimiento superficial.
Tienen en común su gran pendiente y los importantes volúmenes de suelo que mueven, principalmente en época húmeda. Durante los meses de estiaje, el proceso de transporte de sedimentos se atribuye principalmente a la energía eólica.
La cuenca de un río de montaña, en general, consta de tres sectores:
• Cuenca Receptora
• Tramo medio
A diferencia de otras cuencas de montaña, las cuencas andinas adquieren condicionantes particulares con predominio de los elevados procesos de erosión, gran transporte de sedimentos y riesgos climáticos caracterizados por sequías y heladas. Al mismo tiempo, la ocupación del territorio se extiende prácticamente a toda su superficie, con prácticas agrícolas, pecuarias y mineras.
La cuenca receptora es la zona de mayor altura; de este sector proviene la mayor parte de los volúmenes de escurrimiento y es el de mayor aporte de sedimentos. La erosión es un factor decisivo para este fenómeno, interviniendo factores como: topografía, propiedades físicas y químicas de los suelos, cobertura vegetal, uso del suelo y régimen de precipitaciones.
FIGURA 2.1 SECTORES DE UNA CUENCA DE MONTAÑA
El tramo medio de la cuenca es por lo regular de topografía encajonada entre abruptos taludes, es más estrecho que las otras dos zonas y la solera de su lecho tiene pendientes acentuadas, aunque de menor magnitud que las que presenta la cuenca receptora. En este sector pueden presentarse procesos de erosión, esta vez
debido a las grandes velocidades de flujo, originando fuertes tensiones de corte sobre la superficie del lecho; el flujo de agua adquiere gran capacidad de transporte. A consecuencia de la erosión de fondo, el nivel de la solera disminuye progresivamente, aumentando la altura de los taludes laterales en la misma proporción, lo que puede provocar la inestabilidad de los mismos. Los cambios morfológicos se presentarán en función de la resistencia que ofrezcan los suelos componentes del perímetro hidráulico a la acción de las tensiones de corte del flujo.
El cono de deyección, es el área donde se deposita la mayor parte del material generado por erosión en la cuenca receptora y en el tramo medio. La trayectoria del flujo cambia continuamente por las características de zona de bajas pendientes y lecho aluvial. La condición de menor capacidad de transporte de sedimentos dará lugar a que los sedimentos sean depositados de manera desordenada, generando continuos cambios de dirección en el flujo.
2.1.1 Cuenca receptora
En la cuenca receptora se desarrolla el mayor movimiento de masas de suelo que se ponen en movimiento debido a diferentes razones, a saber:
- Movimiento de masas débiles de piedra y suelo, por peso propio e influencias antrópicas.
El movimiento de masas puede atribuirse a características geológicas, tectónicas, condiciones hidrológicas, propiedades químicas y físicas de las masas, clima, topografía, pendiente, cobertura vegetal, cambios en el contenido de agua en las masas de suelo.
- Derrumbes. Desprendimiento de piedras en sectores de fuerte pendiente por influencia del agua y movimientos sísmicos.
FIGURA 2.2 ALGUNAS FORMAS DE DESPRENDIMIENTO O DERRUMBE
- Deslizamientos
Movimientos en dirección de la pendiente, formados por masas de roca suelta o suelos. Se presentan en suelos arcillosos y limosos, con gran contenido de agua.
- Movimientos fluyentes
Movimiento lento hasta rápido de rocas, rocas sueltas y suelos. Se presenta en suelos sin cohesión o en suelos con cohesión cuando se supera la tensión de corte crítica.
- Cierre de Valle
Movimiento muy lento de arrastre que cubre una gran extensión superficial. Este tipo de movimiento dura varios cientos de años y no puede ser regulado por el hombre porque tiene causas tectónicas.
- Mazamorra
Movimiento muy rápido de masas, mezcla de: agua, suelo, cantos rodados, madera y otros. La carga que arrastra la mazamorra, proviene de la cuenca receptora del torrente (roca suelta, rellenos de valle, antiguas mazamorras, masas de canto rodado o productos de la descomposición de materiales susceptibles a cambios).
La densidad de la mazamorra puede adoptarse igual a:
3
4
.
1
m
ton
m=
⋅
ρ
(2.1)Además de los movimientos de masas mencionados, adquieren relevancia los procesos de erosión laminar, a consecuencia del impacto directo de las gotas de lluvia sobre la superficie y el transporte de material por los escurrimientos superficiales. Como consecuencia de la erosión laminar, se advierten sectores de suelo de color más claro en las laderas; el suelo orgánico de otro tiempo ha sido removido, quedando el subsuelo, más claro, pobre en materia orgánica. La utilización de estas superficies de terreno con fines agrícolas significará una menor
productividad y por lo tanto un incremento de los gastos para mantener los rendimientos de los cultivos.
En general, la superficie de los terrenos casi siempre es irregular, con depresiones y elevaciones, presentando además heterogeneidad en las características físicas y químicas de los suelos e irregularidades ocasionadas por las labores de labranza. Estas condiciones dan lugar a que se presenten procesos de formación de surcos en dirección de la pendiente por la acumulación de agua en las depresiones hasta superar la resistencia de los componentes más débiles. La cantidad de surcos que se forman puede variar ampliamente, dependiendo de la irregularidad del terreno y de la magnitud que alcanzan las tensiones de corte.
La erosión en surcos se atribuye a la energía del escurrimiento, proporcional al cuadrado de la velocidad de flujo. Así por ejemplo, cuando la velocidad de flujo supera valores de 30 cm/s, frecuente en el flujo laminar, a 60 cm/s, la capacidad de desprendimiento de suelo del agua se cuadruplica. La capacidad de transporte de suelo varía en proporción a la quinta potencia de su velocidad. Por ejemplo, si la velocidad de flujo varía de 30 cm/s a 60 cm/s, el poder de transporte de suelo aumenta en treinta y dos veces [23]. La erosión en surcos origina el transporte de parte de la capa arable, pudiendo alcanzar el subsuelo, en cambio la erosión laminar arrastra únicamente la capa arable.
La profundización de los surcos puede generar procesos de formación de cárcavas y se presentará cuando el escurrimiento incrementa las velocidades de flujo y por lo tanto las tensiones de corte originadas por el escurrimiento superarán a las tensiones de corte resistentes de los materiales componentes de los perímetros de suelo afectado.
2.1.2 Tramo medio
En el tramo medio de la cuenca se mantienen las condiciones de erosión, aunque esta vez el escurrimiento será responsable del proceso. El fenómeno de erosión
La erosión se manifiesta cuando la tensión de corte originada por el flujo:
I
R
g
⋅
⋅
⋅
=
ρ
τ
0 (2.2)supera en magnitud a la tensión crítica del material que compone la solera:
Donde:
τ Tensión de corte sobre la solera originada pro el escurrimiento
ρ Densidad del agua en Kg/m3
G Aceleración de la gravedad 9.81 m/s2 R Radio hidráulico en m, R=A/U A Area de la sección mojada en m2 U Perímetro mojado en m
I Pendiente de la línea de energía, en general se asume igual a la pendiente de la solera
τcrit Tensión límite del suelo, a partir de la cual las partículas de la solera se mueven.
τcrit es función de parámetros como ρ, ρs, dk, Fr, Re, α1, α2, α3, etc. Donde:
ρs Densidad del grano
dk Diámetro característico del grano
Fr* Número de Froude relacionado al grano Re* Número de Reynolds relacionado al grano
α1 Forma de los granos
α2 Disposición de los granos sobre la solera
α3 Grado de uniformidad de los granos
(
)
⋅
⋅
−
⋅
=
v
d
V
f
g
t
crit s o * 3 2 1,
α
,
α
,
α
α
ρ
ρ
(2.3) Donde:α1 : Factor de superficie del grano
α2 : Distancia desde el fondo del río en unidades de diámetro del grano característico
α3 : Factor de la forma del grano
υ
d
v
⋅
=
* 0 *Re
, 5 . 0 0 * 0
=
ρ
τ
V
(2.4)Los estudios de erosión en canales han estado asociados a los mecanismos de transporte de sedimentos. Trabajos como de Walter Willi [25], muestran que los niveles de erosión, expresados en volumen por unidad de ancho, dependen de la pendiente del tramo afectado Is, de su longitud L, del caudal específico q y de la forma del perfil longitudinal, expresado por el factor F.
La ley que gobierna el volumen de erosión puede expresarse de la siguiente forma:
(
δ)
υ β α⋅
⋅
⋅
=
f
I
g
L
F
g
v S (2.5) Donde:gv : Volumen de erosión por unidad de ancho IS : Pendiente del tramo en erosión
q : Caudal específico en m3/s
Lo : Longitud del tramo en erosión en m
Los ensayos en laboratorio de Willi dieron por resultado: 1.425 < α > 1.525
0.525 < β > 0.675 0.400 < γ > 0.500
δ = 1
Para β = 0.6 y γ = 0.4, se obtiene una ecuación simplificada:
−
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
=
⋅
25 25 35 32 * *B
I
F
g
L
u
g
A
S S m vγ
γ
(2.6) Donde: A* 0.62, constante B* 0.0003, constanteg* Transporte específico de sedimentos al final del tramo en erosión, en unidades de volumen
um Velocidad relativa de desplazamiento. Para partículas heterogéneas um = 0.15 m/s
γ Peso específico del agua
γS Peso específico de las partículas
La velocidad relativa de desplazamiento um se define como la diferencia entre la velocidad instantánea de movimiento de una partícula y la velocidad media de flujo.
2.1.3 Cono de deyección
Este tramo se encuentra ubicado en el sector inferior de la cuenca, constituyéndose en el lugar de deposición de los materiales erosionados en los sectores superiores. La zona adquiere pendientes menores, reduciéndose las velocidades y la capacidad
La distancia que recorren las partículas de suelo desprendidas por la erosión depende de su tamaño, densidad, forma y velocidad de escurrimiento. Algunos limos muy finos se sedimentan únicamente en las aguas estancadas; la arcilla fina y el humus coloidal no se sedimentan, permaneciendo suspendidas indefinidamente. Estas partículas permanecen en suspensión hasta que se coagulan al desarrollarse en el agua una concentración determinada de electrólitos, o hasta que precipitan por producirse un brusco descenso de la temperatura.
La masa de tierra desprendida de las laderas se deposita al pie de estos terrenos o en planicies aluviales próximas. Esta masa es sobre todo resultado de la erosión laminar y de la erosión en surcos y se desplaza hasta distancias relativamente pequeñas de los terrenos de donde fueron desprendidos por la erosión, depositándose cuando la velocidad del escurrimiento disminuye. Estos depósitos suelen tener una textura más fina, siendo más ricos en materia orgánica que los suelos de donde proceden, a causa de la acción selectiva de la erosión. En ocasiones, gran parte de esta tierra puede depositarse formando pequeños abanicos aluviales cuando las corrientes experimentan cambios bruscos de pendiente.
En el cono de deyección los problemas estarán asociados a desbordes e inundaciones o anegación de terrenos aledaños; en muchos casos, estos lugares serán terrenos de producción agrícola o urbanizaciones.
Para un mejor análisis de la sedimentación, Vollmers [26] define el Número Sedimentológico, utilizando la siguiente expresión:
d
v
g
D
⋅
⋅
=
3 1 2 *'
ρ
(2.7)La velocidad de caída en el proceso de sedimentación, según Stoke, puede expresarse de la siguiente forma:
5 0 D S
C
d
g
3
4
V
.'
⋅
⋅
⋅
ρ
=
(2.8) Donde: vs : Velocidad de sedimentación en m/s g : Aceleración de la gravedad 9.81 m/s2d : Diámetro característico de las partículas en m
ρ ' : Densidad relativa, ρ ' = (ρs-ρ )/ρ CD : Factor de resistencia
ρS : Densidad del material en tn/m3
ρ : Densidad del agua, 1.0 tn/m3
Para flujo laminar, CD = 24/Re
Re = Número de Reynolds
En un curso natural de agua, se puede esperar que el flujo sea no laminar. Para el campo de Newton: Re > 103,, CD = 0.4, de donde:
(
)
05S
1
83
g
d
V
=
.
ρ
'
⋅
⋅
. (2.9)Según Dallavare, para Re < 2_105:
(
)
[
]
+
⋅
−
⋅
=
30
1
0
.
155
1
5 . 0 3 *D
d
v
V
S (2.10)Para una velocidad media de flujo vm, se define el diámetro crítico dcrit como el límite del diámetro de material en suspensión. Diámetros mayores al crítico se
mayores a las tensiones de corte críticas de este material, las partículas sedimentadas se mantendrán en reposo.
Según Kresser (1964) [26], la relación entre dcrit y vm puede definirse de la siguiente manera:
g
v
d
crit m360
2=
(2.11) Donde:dcrit : Diámetro crítico en m
vm : Velocidad media de flujo en m/s g : Aceleración de la gravedad 9.81 m/s2
La solución al problema de sedimentación estará asociada al control de los diámetros de material y la capacidad de transporte, tomando acciones que permitan otorgar una mayor capacidad de transporte, por medio de la habilitación de secciones hidráulicas de mayor pendiente o de menor sección. Al mismo tiempo, se protegerán los taludes laterales para evitar modificaciones en la trayectoria del cauce.
2.2 Bases para el manejo sostenible de una Cuenca Andina. Concepto energético
El manejo sostenible de una cuenca requiere el conocimiento de sus características técnicas principales, de manera que su intervención sea concordante con los procesos naturales que se presentan. En una cuenca, sin embargo, no sólo se desarrollan fenómenos de erosión y sedimentación, sino que tienen lugar procesos asociados a las actividades de vida de las sociedades, por lo tanto, el manejo de una cuenca deberá tomar en cuenta al mismo tiempo los procesos naturales como los procesos antrópicos.
En una cuenca hidrográfica, el agua se constituye en el medio de participación e integración de las comunidades y habitantes en las tareas asociadas al desarrollo comunitario. Las diferentes interacciones que se presentan cubren al mismo tiempo aspectos técnicos, ambientales, políticos, legales, económicos, financieros, organizacionales y sociales principalmente.
En el marco que definen los conceptos de desarrollo sostenible, el manejo de una cuenca considerará medidas que contribuyan al control, protección, conservación, recuperación y otros aspectos ambientales. La cuenca, sus recursos naturales y sus habitantes, constituyen una unidad física, biológica, económica, social y cultural con características singulares en cada caso. Físicamente la cuenca es la fuente natural de captación y concentración de agua superficial y al mismo tiempo es una fuente de vida para el hombre, aunque también se convertirá en riesgo para situaciones extraordinarias como sequías o inundaciones o contaminación.
En las cuencas de montaña se facilita la relación entre los habitantes por su dependencia común a un sistema hídrico compartido, a los caminos y vías de acceso y al hecho que los peligros ambientales, en general afectan al conjunto de la sociedad. Esta característica permite la articulación holística de los procesos que persigue el desarrollo sustentable.
En este marco, la ingeniería hidráulica tiene como misión el uso efectivo y beneficioso de los recursos hídricos disponibles, controlando la relación oferta-demanda, de manera que se alcancen los objetivos de desarrollo económico y social, y al mismo tiempo se pueda reducir los impactos negativos que generan los fenómenos extremos.
La gestión de cuencas tiene como misión alcanzar un equilibrio entre el aprovechamiento con fines económicos y el manejo con fines ambientales, lo cual repercutirá en los niveles de equidad social, ambiental y económica, contribuyendo de esta manera a la sustentabilidad ambiental y al aprovechamiento sostenido de los recursos naturales.
Diferentes investigadores [27] buscan respuesta a la siguiente pregunta: ¿Cómo las culturas pre-hispánicas andinas aseguraron una oferta relativamente estable de alimentos para sostener una población numerosa y dispersa sobre una de las geografías más difíciles y complejas?. La tecnología andina ha estado orientada [28] al manejo de la complejidad que surge de la gran heterogeneidad del ambiente geográfico andino y de la necesidad de manejarla sistemáticamente, respondiendo rápidamente a fluctuaciones climáticas bruscas; Muray (Perú) constituye un ejemplo de esta ciencia y tecnología andina.
El paradigma Jilanico Andino [27] plantea, según Miranda, que la concepción andina de la utilización de los recursos naturales parte del concepto de que el agua y la tierra forman una unidad viva, en el que interactúan la naturaleza y el hombre en busca de un equilibrio. Esto explica las prácticas de rotación y descanso en la utilización de los suelos para permitir la recuperación de sus potenciales productivos. Las condiciones naturales del clima y calidad de los suelos dan lugar a situaciones de descanso que en algunos casos pueden llegar a períodos del orden de 14 años, advirtiendo la gran sensibilidad ecológica de estas cuencas.
Estos conceptos mantienen vigencia en la actualidad, adoptándose criterios de conservación ecológica, necesarios para mantener la producción y reducir los riesgos. Dourojeanni [29] realiza una comparación con la actividad humana:
"...como lo es para un trabajador tener que dormir y alimentarse si desea seguir activo y no terminar en un hospital. En el caso de que el hombre no invierta en su propia conservación y solo se dedica a trabajar termina enfermo y debe entrar a
recuperación, a un costo mucho más alto que si hubiese combinado su trabajo
productivo con la conservación de sus fuerzas".
El objetivo del manejo de una cuenca deberá entonces perseguir “un nivel adecuado de equilibrio”, entendiendo este como el nivel de estabilidad que se manifiesta cuando los cambios geomorfológicos originados por la escorrentía promedio se compensan con el tiempo; los escurrimientos se presentarán sin un exceso de
sedimentos con relación a las características geológicas de la cuenca y los cursos naturales.
E. Dils [29] define el manejo de una cuenca de montaña como "el arte y la ciencia de manejar los recursos naturales con el fin de controlar la descarga de agua en cantidad, calidad, lugar y tiempo de ocurrencia". El Colegio de Ingenieros del Perú [29] señala que el manejo de cuencas se entiende por: “la aplicación de principios y métodos para el uso racional e integrado de los recursos naturales de la cuenca, fundamentalmente agua, suelo, vegetación y fauna, para lograr una producción óptima y sostenida de estos recursos, con el mínimo deterioro ambiental, para beneficio de los pobladores de la cuenca y de las poblaciones vinculadas a ella".
La búsqueda de sistemas o modelos de desarrollo rural, principalmente en los años 80, ha dado lugar a la conceptualización del desarrollo con base en el aprovechamiento y preservación de los recursos hídricos, tomando la cuenca como el ámbito natural de planificación. Un ejemplo de este trabajo es la concepción ensayada en el "Taller Agua, Vida y Desarrollo" [3], que se originó en los proyectos de Desarrollo Rural emprendidos por el Instituto de Hidráulica e Hidrología de La Paz (Modelo La Paz Huaraco, Modelo La Paz San Pedro) y que en asociación con el tema que nos ocupa señala:
"El Sistema Hídrico es el conjunto de elementos que interaccionan entre sí en un todo orgánico, organizado y complejo. Está constituido por un conjunto de elementos, partes o componentes que cumplen diversas funciones, en forma simultánea o sucesiva, cuyo resultado final es la obtención del objetivo de adecuación y distribución del agua para posibilitar la vida y la producción de las plantas, los animales y las familias". Este documento plantea que el sistema hídrico es parte indivisible del sistema tecnológico que asegura la vida, la producción y la reproducción de una sociedad en determinado ambiente o sistema ecológico. Puntualiza que la "incorporación de sistema adquiere sentido dado que la aplicación de las tecnologías no es en solo sentido, desde la sociedad hacia la naturaleza, por el contrario, la naturaleza genera a su vez respuestas ecológicas a
forma, parte del sistema tecnológico que establece la sociedad para convivir con el ambiente"; en este caso, el ambiente será la cuenca hidrográfica.
El autor plantea estructurar un pensamiento que materialice los conceptos de manejo de cuencas, considerando el sistema que constituye la cuenca en el marco del equilibrio energético, en el sentido más amplio del término, entendiendo al medio físico natural, que constituye la cuenca, como el espacio en el que interactúan diferentes tipos y niveles de energía. La estabilidad del sistema se alcanzará en la medida en que las diferentes energías encuentren niveles de armonía, es decir, que el exceso de uso de energía repercutirá en el deterioro de alguna otra (u otras) energía(s). Por lo tanto, será misión del manejo de una cuenca llegar a niveles de equilibrio energético, cuya manifestación será la sostenibilidad de la cuenca.
2.2.1 Plan de manejo de cuencas
2.2.1.1 La concepción energética
El plan de manejo de una cuenca dependerá del concepto que se adopte respecto a los factores que influyen en su comportamiento. En este texto se adoptará un criterio energético, considerando su sentido más amplio, por cuanto éste se aproxima mejor a las condiciones reales presentes, principalmente en una cuenca andina.
Sobre la cuenca se ubican las poblaciones rurales, los campos de cultivo, los campos de pastoreo, etc., definiendo el "habitat" natural. Es claro que las comunidades rurales se ubican independientemente la disposición de la(s) cuenca(s), sin embargo, el curso de agua (río o quebrada) será la referencia para la ubicación comunitaria.
En una cuenca podrán habitar una o varias comunidades, así como una comunidad podrá tener acceso a los recursos hídricos de una o varias cuencas.
En la cuenca actúan diferentes formas de energía: solar, eólica, hídrica, biomasa, animal y humana, que el habitante rural utiliza en diferente grado para satisfacer sus necesidades energéticas, estableciendo un sistema de oferta y demanda.
Energía Solar
La energía en forma de radiación solar incide sobre la tierra con un valor medio de 1353 Watts/m2, valor que puede variar en el orden de ± 3 %, debido a la variación de la distancia entre la tierra y el sol. La energía que llega a la superficie de la tierra se reduce en 30 a 50 %, por efecto de reflexiones y absorciones que se presentan en la atmósfera.
La energía solar incidente sobre alguna superficie depende del ángulo formado entre la normal a la superficie y la dirección de los rayos solares.
La energía solar directa se utiliza de diversas maneras en la vida cotidiana, siendo su principal empleo para el secado de madera, productos agrícolas, ropa, etc.
Entre los usos de la energía solar se pueden mencionar los calentadores de agua, secadores, cocinas, y los sistemas fotovoltaicos. Estos últimos logran la transformación de la energía solar a energía eléctrica, ampliando el uso de la energía a iluminación, comunicación, refrigeración, bombeo de agua, etc.
Energía Eólica
El viento, movimiento del aire de la atmósfera terrestre, se origina como consecuencia de fuertes gradientes de temperatura en la atmósfera y es una de las formas de energía presentes en la cuenca.
La energía eólica es utilizada para separar la cáscara de granos como el trigo, arroz, etc. y como complemento para el secado de productos diversos.
Un uso extendido del viento se advierte en molinos en el área rural europea y posteriormente para la extracción de agua subterránea, así como para la generación de energía eléctrica.
La potencia eólica es directamente proporcional a la densidad del aire, al área transversal considerada y a la velocidad del viento elevada a la tercera potencia. El parámetro de mayor influencia es la velocidad del viento, por cuanto el aumento o disminución, por ejemplo en una magnitud de 10%, repercutirá en la potencia en una magnitud de 30 %.
El uso más extendido de la energía eólica es mediante molinos, principalmente para la extracción de agua subterránea, habiéndose desarrollado gran cantidad de modelos, asociados a las condiciones del viento locales y a los propósitos de uso de la energía.
Las posibilidades de uso de nuevos conversores rotativos y elementos de control han mejorado el rendimiento de los molinos, incrementando los potenciales de uso de este tipo de energía.
Energía hidráulica
La energía hidráulica tiene diferentes expresiones desde el momento en que las gotas de agua alcanzan la superficie terrestre; éstas llegan con una energía cinética proporcional al diámetro de las gotas elevado a la tercera potencia. Esta energía puede ser suficiente para arrancar del suelo partículas finas y lanzarlas aguas abajo, iniciando el proceso de la erosión. Miles y millones de gotas de agua logran desarrollar el escurrimiento superficial cuya fuerza dinámica será capaz de transportar material sólido, principalmente en los cursos de agua.
El escurrimiento superficial, cargado de sedimento, llegará a las quebradas y ríos con energía suficiente; en muchos casos, para desgastar los límites físicos de los mismos y provocando lo que se entiende como erosión y socavación hídrica.
Esta energía, en muchos casos destructora, se aprovecha para mover máquinas (molinos hidráulicos, accionamiento de bombas de agua, turbinas, etc.) que cubrirán necesidades básicas, productivas, y recreacionales.
En muchas comunidades rurales existe la posibilidad de uso de la energía hidráulica, siendo la base del potencial el conocimiento de los caudales de escurrimiento y las alturas de carga que se puedan conseguir, ya que la potencia será función directa de los parámetros indicados.
Energía humana
Para los trabajos cotidianos, el hombre hace uso de su energía, incorporando ésta al espectro energético. La potencia que proporciona el músculo humano depende del individuo, el medio y la duración de la tarea [31].
La potencia disponible para realizar un trabajo útil de largo plazo (ocho horas diarias, cuarenta y ocho horas semanales) por operadores jóvenes y saludables, está estimada entre 0.08 y 0.12 caballos de fuerza (60 a 90 watts). Estos valores se reducirán cuando los operadores presenten algún problema o deficiencia de salud. También se reducirán cuando el medio donde se opera presente altas temperaturas y humedad elevada.
El siguiente cuadro muestra la potencia (en HP) que puede generar el ser humano promedio. TIEMPO (minutos) EDAD (años) 5 10 15 30 60 480 20 0.29 0.28 0.27 0.24 0.21 0.12 35 0.28 0.27 0.24 0.21 0.18 0.10 60 0.24 0.21 0.20 0.17 0.15 0.08
Para trabajos cortos la potencia desarrollada puede ser mayor; por ejemplo, para el accionamiento de una bomba manual, la potencia necesaria es del orden de 0.10 HP (75 watts).
Biomasa
La biomasa se presenta como cobertura vegetal y como desecho orgánico. En el primer caso, la cobertura vegetal cumple una misión de suma importancia, por cuanto es el elemento de protección más importante del suelo contra la erosión hídrica y eólica, contribuye a los ciclos geoquímicos del nitrógeno, fósforo y potasio, contiene especies que sirven de sustento alimenticio para hombres y animales y en el área rural se constituye en el único combustible disponible para la cocción de los alimentos.
Por lo que se puede advertir, la biomasa está asociada íntimamente al suelo, clima, topografía y las culturas de uso agua-suelo-planta. En la zona altiplánica la naturaleza genera biomasa en una magnitud del orden de 0.5 ton/ha.año, en zonas de valle andino hasta 8 ton/ha.año y en el trópico hasta 20 ton/ha.año . Estos datos señalan la gran sensibilidad del suelo andino a los procesos de desertificación, debido a la lenta respuesta en la generación de biomasa.
El diagnóstico energético rural, realizado por DIFER (Dirección Nacional de Fomento a la Energía Rural. Secretaría de energía), señala que la demanda energética predominante está asociada a las necesidades de cocción, alcanzando en promedio a niveles del 90 %, siendo la leña el principal combustible utilizado. Se establece [30] que el uso promedio de leña se encuentra en el orden de 4 ton/fam.año; El uso de este energético tiene impactos negativos, como la reducción acelerada de la cobertura vegetal, enfermedades por inhalación de humo, condiciones antihigiénicas en la preparación de los alimentos, accidentes por caídas sobre las brasas, etc.
orgánico que contribuye al equilibrio orgánico del suelo es utilizado como combustible, por la falta de alternativas energéticas accesibles, lo cual contribuye a la pérdida de fertilidad de los suelos, la erosión, desertificación, etc.
El suelo mismo constituye un componente energético fundamental para la generación de vida y el crecimiento de plantas. El conjunto formado por las fases sólida (minerales, materia orgánica-humus), líquida (constituida por agua, gases y nutrientes disueltos) y gaseosa que ocupa los vacíos del suelo, conforma un sistema energético vital.
Otros
De manera indirecta, las actividades relacionadas a procesos no agropecuarios, industria o semi-industria, etc., es decir, niveles de ocupación de mano de obra, se constituyen en oferta de energía, por cuanto son medios que permiten cubrir necesidades de generación de bienes, que posteriormente contribuirán a reducir el déficit energético.
2.2.1.2 Equilibrio energético
Al nivel de cuenca, el sistema se encontrará en equilibrio cuando la demanda energética es igual a la oferta de energía. En general este equilibrio no se presenta por varias razones:
- Que la energía disponible no sea completamente accesible, debido a limitaciones tecnológicas.
- Que determinados tipos de energía se encuentren en proceso de deterioro, reduciéndose gradualmente su potencial.
- Que el uso de la energía disponible no alcance niveles de eficiencia necesarios.
La situación de desequilibrio energético, condiciona la actividad de las sociedades que ocupan el territorio de la cuenca, lo cual da lugar a un nivel de déficit temporal o permanente.
Las condiciones límites, desde el punto de vista energético, que ofrece la cuenca, obliga al poblador a la necesidad de cubrir el déficit en otras "cuencas", como: ciudades, zonas de mayor dinámica económica en el país (Chapare, áreas de producción de caña, algodón, soja) y en el exterior (Argentina, Chile, etc.), proceso que se califica como migración.
Por lo tanto, la migración es un proceso asociado al déficit energético que se presenta en una cuenca y trata de llenar el espacio no cubierto. Este proceso tiene como consecuencia alteraciones de tipo cultural, social, familiar, económico, etc.
El desequilibrio energético que se presenta en la cuenca explica la pobreza y el atraso en el mundo rural, las soluciones a este problema pueden ser analizadas desde este punto de vista para ofrecer soluciones de tipo integral.
2.2.1.3 Consideraciones energéticas para el manejo de una cuenca
Los anteriores conceptos permiten conceptualizar las medidas de manejo de cuencas, definidas por tres niveles o etapas:
- Primer nivel. Mejorar la actual administración del uso de energía - Segundo nivel. Mejorar la accesibilidad a la energía
- Tercer nivel. Incrementar el potencial energético
En el primer nivel, las medidas se orientarán a mejorar el uso actual de la energía, incorporando medidas combinadas de tipo tecnológico y administrativo.
- El uso de energía para la cocción de los alimentos representa, como se dijo anteriormente, el de mayor demanda, presionando sobre la biomasa. Los sistemas de cocción convencionales no alcanzan niveles de eficiencia mínimos para el equilibrio, lo cual da lugar a la reducción gradual de la cobertura vegetal. Las condiciones socio-económicas actuales no permiten, en muchos casos, la aplicación de programas de sustitución de la leña por otro tipo de combustible y la perspectiva futura, vía desregulación del precio de los carburantes y derivados del gas y petróleo, aleja las posibilidades reales de reemplazo de combustible. Por lo tanto la leña será por largo tiempo el combustible de mayor utilización en el área rural.
Este nivel de solución plantea la incorporación de cocinas a leña mejoradas. Entre las más extendidas se puede mencionar a la cocina tipo "Lorena" que ha alcanzado importantes éxitos en su aplicación en comunidades del altiplano y valles de Bolivia. El uso de leña, por medio del uso de cocinas Lorena, permite el ahorro de combustible entre el 50 % y el 70 %, lo cual da lugar a la recuperación de cobertura vegetal afectada e impactos positivos asociados.
- Bajo el concepto de asociación suelo-agua-planta, los recursos hídricos son también un medio de aplicación de este nivel de solución, al aplicar medidas de mejoramiento de los sistemas de riego actuales para el incremento de su eficiencia.
Los sistemas de riego con deficiencias técnicas (de concepción o construcción) sufren pérdidas no deseadas de agua al presentarse infiltraciones en juntas de dilatación, grietas en las estructuras de conducción, pérdidas en obras de control (compuertas) o deficiencias en la administración del líquido elemento. Por lo tanto, la corrección de las deficiencias y/o la incorporación de mejoras, permitirá un mejor aprovechamiento del recurso, mejorando la producción y la productividad del suelo.
- Muchos sistemas de aducción de agua, con fines de dotación de agua potable, además de tener deficiencias de tipo técnico que da lugar a pérdidas de caudales, contienen un potencial energético que no es aprovechado en ninguna forma.
Existen sistemas de dotación de agua potable, los cuales, además de caudales adecuados, cuentan con alturas de caída suficientes para generar energía hidroeléctrica a bajo costo a nivel de pico-turbinas.
El instituto de Hidráulica e Hidrología de La Paz ha adaptado tecnología para la aplicación de estos sistemas y ha instalado varios sistemas en varias comunidades del territorio nacional.
El sistema, debido a sus dimensiones, tiene algunas limitaciones que, sin embargo, no afectan su aplicación. Las pico turbinas utilizan los sistemas actuales de dotación de agua potable, por lo tanto, no representan gastos mayores en obras civiles, generan energía a corriente continua a 12 o 24 volts para iluminación, comunicación, refrigeración y acumulación. Es decir, esta energía puede ser utilizada por focos especiales, refrigeradores, televisores, radios y cargado de baterías. Las condiciones límites que definen estos sistemas reducen su utilización principalmente a su aplicación en escuelas, centros de salud, centros comunales y eventualmente para iluminación pública y uso doméstico, pero con limitaciones según la capacidad de generación del grupo turbina-generador.
Para dar una idea de sus potenciales de aplicación energética, un sistema de agua potable que conduce 0.5 l/s y tiene una altura de caída de 50 m. podría generar una potencia de 0.09 Kw, a corriente continua sería suficiente para iluminar un número de 5 focos y accionar un refrigerador. En el otro extremo un sistema que conduce 2 l/s de agua y cuenta con una altura de caída de 100 m. podría generar 1.38 Kw. con capacidad de iluminación de 156 focos y un refrigerador.
Para la aplicación de la idea, en sistemas que cumplan las condiciones mínimas, sería necesario anular las cámaras disipadoras de presión, a fin de utilizar toda la carga hidráulica y emplazar sobre el tanque de almacenamiento el sistema generador, sin alterar el sistema de distribución de agua potable.
El segundo nivel plantea un mayor acceso a la energía y los recursos naturales disponibles, por medio del mejoramiento de la tecnología utilizada o la incorporación de tecnologías que permitan esta meta.
Algunos ejemplos aclararán el concepto:
- La aplicación tecnológica para el acceso de agua para riego mejorará las condiciones del suelo para la producción, incrementando su capacidad energética.
- La aplicación de energía solar, eólica, eléctrica, biomasa, etc., para la extracción de agua para riego y/o agua potable, mejorará por un lado el acceso a tipos de energía no utilizadas e incrementará la productividad del suelo.
- La aplicación de invernaderos mejora el acceso a la energía solar para reducir los riesgos climáticos en la producción agrícola.
- El aprovechamiento de la energía hidráulica puede tener tres niveles de aplicación:
a. El mejoramiento de los molinos hidráulicos actuales permitiría incrementar la eficiencia de la molienda y de uso de los recursos hídricos.
b. La construcción de sistemas hidráulicos con la aplicación de turbo-bombas para la impulsión de agua a zonas de riego. c. La construcción de sistemas hidráulicos para la generación
de energía eléctrica con la aplicación de turbinas y generadores eléctricos.
- La aplicación de energía solar por medio de paneles fotovoltaicos, generando energía eléctrica para su utilización en iluminación doméstica y pública, comunicación, televisión, refrigeración; permite un mayor acceso a la energía solar con fines utilitarios. - La utilización de energía solar para el secado de productos
agropecuarios, calentamiento de agua, filtración de agua, etc. logra un mayor acceso a la energía solar con fines utilitarios básicos, además que permite un primer paso en la transformación básica.
- El mejoramiento de herramientas de trabajo agropecuario, bombas manuales, permite una mejor utilización de la energía humana en tareas de producción y de servicios.
El tercer nivel considera el incremento de los potenciales energéticos y de recursos naturales que pretende recuperar potenciales productivos naturales del sistema agroecológico.
Entre las medidas que se plantean en este nivel, se pueden mencionar los siguientes:
- La reforestación combinada con zanjas de infiltración incrementaría los potenciales de biomasa de la cuenca, para su posterior utilización como combustible para la cocción, madera para la construcción, incremento de la capacidad de retención de humedad de la cuenca y reducción de los niveles de erosión hídrica y eólica.
- La aplicación de andenes y tacanas incrementaría el potencial productivo de los suelos; permitiría una mejor administración de agua y reduciría los niveles de erosión.
- El mejoramiento del uso del suelo, tomando medidas que disminuyan los procesos de erosión y aplicando técnicas que reduzcan la pendiente de las parcelas productivas; estas medidas podrán combinarse con el uso de semillas mejoradas e incorporación de fertilizantes naturales, etc.
- Transformación básica de los productos que se producen en la zona para incorporar valor agregado a los productos, ejecución de proyectos en el rubro de la artesanía, etc.
Como se puede advertir, el tercer nivel establece una condición límite en la relación a la oferta y demanda energética. La condición límite superior de aprovechamiento de los potenciales energéticos, concebidos en el presente trabajo, estará condicionada a los niveles tecnológicos accesibles por las sociedades que ocupan el territorio de la cuenca, sin embargo, considero que existirá un límite, en el que la naturaleza no podrá ofrecer más.
A partir de este nivel, la oferta estará condicionada a la capacidad de las sociedades de generar recursos con base en la tecnología que haya logrado asimilar o desarrollar. Se podrá incorporar nueva energía con el mejoramiento de las capacidades de transformación básica por medio de programas de capacitación y educación, de manera que se adquiera potenciales de transformación de productos no producidos en las cuencas, generando nuevas iniciativas de desarrollo. La posibilidad de aplicación de estas medidas estará supeditada a las condiciones de infraestructura, principalmente energía y vías de comunicación hacia los centros de consumo y naturalmente contar con recursos hídricos que permitan cubrir la demanda poblacional y de los procesos de transformación que se planteen. No se toman en cuenta los otros potenciales como mineros, materiales de construcción, etc. que podrían disponer las comunidades.
CAPÍTULO 3
3. EROSION Y TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
El suelo se constituye en el recurso básico de las sociedades andinas. Es un recurso renovable si es conservado adecuadamente, en caso contrario, se generan pérdidas de suelo que conducen al deterioro del medio ambiente y al empobrecimiento de los pueblos.
En las cuencas andinas se presentan procesos avanzados de erosión, generando perjuicios debido a la pérdida de suelos agrícolas, obras de infraestructura y degradación de áreas urbanas.
El impacto de la erosión hídrica se manifiesta en el incremento de la carga de sedimentos sobre los cursos naturales, los cuales ofrecen condiciones desfavorables para el aprovechamiento de los recursos hídricos. De igual manera la erosión tiene como consecuencia alteraciones ecológicas que afectan a la fauna y flora.
La suma de pérdidas económicas debido a la erosión puede alcanzar niveles astronómicos, por lo que es necesario considerar medidas que prevean los procesos asociados a la erosión o disminuyan sus consecuencias negativas.
3.1 Erosión laminar
Sobre la superficie terrestre se han presentado desde tiempos geológicamente lejanos procesos de erosión que han dado lugar a la formación de los suelos. El proceso de alteración de rocas que se presenta por la acción de agentes físicos y químicos, continúa con los procesos de erosión que remueven sus partículas constituyentes principalmente por acción del agua. A lo largo de los años se presenta un proceso dinámico en que las diferentes acciones se compensan dando lugar al equilibrio. Sin embargo, los niveles de fragilidad alcanzados por el medio físico, dan lugar a la aceleración de los procesos de
pérdida de suelo, rompiendo el equilibrio; lo cual es motivo de preocupación debido a las consecuencias negativas que conlleva.
En las zonas con protección de cobertura vegetal, la energía cinética de las gotas de agua es atenuada por el sistema vegetal, por lo que la erosión laminar se mantiene en los rangos que define el equilibrio.
La presencia de vegetación en niveles insuficientes, da lugar a superficies de suelo susceptibles a la acción directa de las aguas, ya que un suelo desprotegido recibe el impacto directo de las gotas de lluvia en una proporción equivalente al diámetro de las mismas elevado a la tercera potencia.
FIGURA 3.1 INICIO DE LA EROSION PLUVIAL.
El impacto desagregará las partículas, liberando a las más pequeñas y trasladándolas inmediatamente aguas abajo. Esta primera acción es complementada por el escurrimiento superficial, formado por la unión de las gotas de lluvia, generando filetes de agua con suficiente fuerza para arrastrar las partículas liberadas.
Los filetes de agua continúan transportando partículas de los sectores ubicados aguas abajo sin formar canales definidos, dando lugar al desgaste de la superficie del terreno. A este proceso se denomina erosión laminar.
La erosión laminar acelerada depende de los siguientes factores naturales:
Características físicas tales como: textura, estructura, permeabilidad, entre otros.
Características ligadas a la morfología del terreno, principalmente relacionadas con la pendiente.
Características ligadas al clima, principalmente relacionadas al régimen de precipitaciones y tormentas.
El desarrollo de métodos y fórmulas que permiten estimar los volúmenes de suelo erosionado por acción laminar, ha sido desarrollado para cuencas diferentes a las andinas. Entre ellas se destaca la Ecuación Universal de Pérdidas de Suelo [1], que será considerada únicamente como referencia, a saber:
c S
S
C
P
L
K
R
=
A
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
(3.1) Donde:A Indice que representa la pérdida total de suelo por unidad de área en [ton/ha].
R Erosividad. Indice que expresa la capacidad de la lluvia de provocar la erosión.
K Erodabilidad. Indice relativo a las propiedades inherentes al suelo y que refleja su mayor o menor susceptibilidad a la erosión.
Ls Factor topográfico
C Indice relativo o factor de uso y manejo del suelo.
Pc Indice relativo a la práctica conservacionista adoptada.
Los factores Ls, C y Pc son adimensionales. La erosión anual tendrá las unidades que se adoptan para K y un período de retorno correspondiente al de R.
La estimación de los volúmenes de pérdida de suelo por efecto de la erosión laminar, se realiza en base al cálculo de los índices de cada componente de la ecuación [1].
La Erosividad R puede ser calculada utilizando la expresión de Lombardi Neto y Moldenhauer (1980):
R = 6.866 (
p
P
)
2 0.85⋅
(3.2) Donde:R Indice medio de erosividad anual p Precipitación media mensual
P Precipitación media anual
La erodabilidad K representa la susceptibilidad del suelo a la acción erosiva y será función de las características físicas de los suelos: textura, permeabilidad, capacidad de filtración, estructura, granulometría, contenido de materia orgánica, etc.
El SCS (Soil Conservation Service) clasifica a los suelos de la manera siguiente:
Suelos A De bajo potencial de escurrimiento, buena permeabilidad, por lo que la infiltración mantendrá valores altos, aún cuando estén húmedos. Pertenecen a este grupo los suelos gravosos, gravo-arenosos y arenosos gruesos.
Suelos B Mantienen moderadas velocidades de infiltración y mayores valores de escurrimiento. En este grupo se consideran a suelos arenosos, limo-arenosos con reducida
Suelos C En estos suelos la infiltración es lenta, es frecuente la presencia de material muy fino, mezclados con partículas gruesas. A este grupo pertenecerán los suelos franco-arcillosos y franco-arcillo-arenosos.
Suelos D Estos suelos son los que presentan mayor potencial de escurrimiento. Se considerarán como suelos de este grupo a los de grano fino, que forman capas prácticamente impermeables por lo que la infiltración será muy lenta. En este caso se considerarán a los suelos arcillosos.
Como referencia, en el estado de Bayern (Alemania) se encontraron valores de R en el rango de 40 y 140 [32], menores a los valores correspondientes a la zona oeste de Rocky Mountain/EEUU (90-1000). La diferencia se fundamenta porque en la zona de Bayern, para similares condiciones de precipitación, las intensidades son menores.
Los valores que adquiere K serán los siguientes:
TIPO DE SUELO RANGO DE VARIACION DE K A B C D 0.16 - 0.23 0.13 - 0.38 0.13 - 0.18 0.07 - 0.12
s 0.63 1.18
L = 0.00984 L
⋅
⋅
S
(3.3) El factor topográfico Ls se obtiene por medio expresión desarrollada por Bertoni (1959):Donde:
Ls Factor topográfico
L Longitud de pendiente en m. y expresa la distancia entre el punto donde cae la gota de lluvia hasta el punto donde disminuye la pendiente y comienza la deposición, o hasta un curso de agua definido.
S Pendiente del terreno en porcentaje
La Longitud de Pendiente puede obtenerse por medio de la siguiente fórmula:
)
0654
.
0
sin
4.56
+
sin
(65.41
2.13
2
m
=
L
⋅
⋅
2Θ
⋅
Θ
+
(3.4) Donde: m factor de pendiente Θ Angulo de la pendienteEl factor m es función de la pendiente del terreno, y adopta valores según el siguiente orden:
PENDIENTE (%) m < 1 1 - 3 3 - 5 > 5 0.2 0.3 0.4 0.5 TABLA No. 3.2. VALORES DE m
Los factores de uso, manejo del suelo C y práctica conservacionista P, están relacionados entre sí y deben ser evaluados en forma conjunta con base en mapas de uso del suelo a una escala que permita la distinción entre las principales formas de uso y ocupación agrícola.
Para la determinación de C pueden ser considerados los siguientes valores referenciales [1]:
COBERTURA VEGETAL C
Bosque no intervenido Bosque intervenido
Tierras erosionadas con escasa vegetación
Suelo desnudo
Cultivos extensivos en hileras, ejemplo maíz
Yuca y batata 1er año
Palmera, café, cacao
Pastos Hortalizas 0.001 0.34 0.8 1.0 0.5 0.2-0.8 0.1-0.3 0.07 0.3
TABLA No. 3.3 VALORES REFERENCIALES DEL INDICE DE FACTOR DE USO Y MANEJO DEL SUELO C
De igual manera para determinar el factor Pc, sirven de referencia los siguientes valores:
TECNICA
FACTOR Pc
Curvas de nivel (pendientes entre 5% y 20%)
Bandas antierosivas de 2 a 4 m (pendientes entre 5% y 25%)
Protección con paja
Terrazas de 80 cm. combinadas con curvas de nivel (pendientes entre 5% y 15%)
0.1 - 0.7
0.3
0.01
0.10
TABLA No. 3.4 INDICE DE PRACTICA CONSERVACIONISTA Pc
3.2 Transporte de acarreo y erosión en cursos de agua
Los sedimentos formados a partir de la erosión laminar y movimientos de masas, son conducidos a los cursos de agua, donde tiene lugar la escorrentía en un medio físico en forma de canal, responsable de la segunda fase del proceso de transporte de sedimentos. En este sector, el escurrimiento se desarrolla de manera concentrada, con capacidad suficiente para la conducción de los sedimentos. Dependiendo de las condiciones geotécnicas de los suelos, principalmente de su capacidad de resistencia a las tensiones de corte, los pequeños canales naturales se profundizarán gradualmente, dando lugar a la formación de cárcavas.
La presencia de cárcavas expresa un estado avanzado y complejo de erosión cuyo poder destructivo local es superior a las otras formas de pérdida de suelo y por lo tanto de mayor dificultad de control. Estados avanzados de erosión en cárcavas se advierten en las zonas de valle de Bolivia, con una expresión mayor en las cercanía de las ciudades de Tarija y La
Paz. En la cárcava actúan además de la erosión superficial, formas de erosión asociadas al escurrimiento superficial, a la desestabilización de taludes por humedecimiento y sobresaturación y al movimiento subterráneo (tubificación). Se asocian también a los procesos de erosión interna los "descalzamientos" de la base de los taludes de la cárcava provocando desmoronamientos.
En suma, en una cárcava se presentan diversos fenómenos de erosión: erosión superficial, erosión interna, descalzamiento y desmoronamientos, generando procesos de alto poder destructivo, que se manifiesta de manera flagrante en enormes superficies, que afectan zonas de producción agrícola, carreteras, obras públicas, etc.
En estos cursos naturales - incluidas las cárcavas, quebradas y torrentes - el flujo adquiere capacidad suficiente para transportar hacia aguas abajo los sedimentos y fuerzas de corte que en muchos casos superan las fuerzas resistentes de la solera y taludes, presentándose la erosión por acción del escurrimiento. Durante este proceso disminuye el nivel de la solera, debilitando la base de los taludes, que dará lugar al desmoronamiento de las riberas; incrementado la carga de sedimentos sobre los cursos de agua.
La determinación de los volúmenes de transporte de sedimentos en canales abiertos es un problema central para el ingeniero hidráulico. Sus resultados son útiles para el dimensionamiento de obras hidráulicas como obras de toma, canales, para la regulación de ríos y torrentes, etc., así mismo será información necesaria para establecer la necesidad de incorporar obras complementarias y/o determinar la vida útil de una obra hidráulica.
La capacidad de transporte de sedimentos de un curso de agua ha sido motivo de investigaciones, debido al uso más frecuente de recursos hídricos de fuentes superficiales en los que se dan lugar presentan procesos de erosión y sedimentación.
En esta sección se presentarán algunas fórmulas que estiman la capacidad de transporte de sedimentos de un curso de agua, que podrán ser considerados como referencia, y considerando que su aplicación está limitada en cada caso a condiciones definidas como: caudal específico, pendiente de la solera, diámetro característico de los sedimentos, relaciones geométricas, etc.
Consideraciones básicas
Shields y Einstein [2] definen los parámetros adimensionales:
- Tensión de corte media relativa θ
θ
=
v
(s-1) g d
* 2⋅ ⋅
(3.5) Donde:v = g R I
*⋅ ⋅
(3.6) - Unidad adimensional de transporte de sedimentos φBB
=
Bq
(s-1) g d
Φ
⋅ ⋅
3 (3.7) Donde: v* Velocidad de corte en m/s R Radio Hidráulico en mI Pendiente de la línea de energía. (Pendiente del espejo de agua) g Aceleración de la gravedad en m/s²
d Diámetro del grano de sedimento en m s Densidad relativa de los granos
