ESTRATEGIAS PARA EL MANEJO
DE SEDIMENTOS EN EMBALSES
JULIÁN EDUARDO MONTAÑEZ GUILLÉN
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CICVIL Y AMBIENTAL
BOGOTÁ D.C., COLOMBIA
Contenido
1. INTRODUCCIÓN ... 4
1.1. Objetivos ... 4
1.2. Antecedentes ... 4
1.3. Definición del problema ... 6
1.4. Pregunta investigación ... 7
1.5. Justificación ... 8
1.6. Metodología ... 8
2. ASPECTOS GENRALES EMBALSES ... 9
2.1. Proceso de sedimentación ... 10
2.2. Impacto operación de embalses ... 12
3. MANEJO DE SEDIMENTOS ... 14
3.1. Métodos utilizados contra la sedimentación ... 14
3.2. Selección técnica gestión sedimentos ... 23
3.3. Embalses y desarrollo sostenible ... 25
4. FRIENDLY FLUSHING ... 26
5. CONCLUSIONES ... 27
LISTADO DE TABLAS
TABLA 1.EFECTOS MORFOLÓGICOS E HIDROLÓGICOS... 9
TABLA 2.TÉCNICAS SEDIMENT ROUTING... 16
LISTADO DE FIGURAS FIGURA 1. CONSTRUCCIÓN PRESAS EN EL MEDITERRÁNEO,SUR DE ÁFRICA Y AMÉRICA DEL SUR. ... 5
FIGURA 2.CAPACIDAD DE VOLUMEN DE AGUA INSTALADA Y PERDIDA DE VOLUMEN POR SEDIMENTACIÓN EN EMBALSES. ... 7
FIGURA 3.TÍPICA FORMACIÓN DEL DELTA EN UN EMBALSE. ... 10
FIGURA 4.TIPOS BÁSICOS DE DEPOSICIÓN. ... 11
FIGURA 5.FACTORES QUE INFLUENCIAN EL COMPORTAMIENTO GEOMORFOLÓGICO EN UN CANAL NATURAL. ... 12
FIGURA 6.CLASIFICACIÓN ESTRATEGIAS DE ENRUTAMIENTO DE SEDIMENTOS... 17
FIGURA 7.PASO DE LAS CORRIENTES TURBULENTAS DE DENSIDAD A TRAVÉS DE UN EMBALSE. ... 18
FIGURA 8.CAMBIO EN EL FLUJO ESTACIONAL DE SEDIMENTOS GENERADO POR FLUSHING EN EL EMBALSE DE SEFID-RUD. ... 21
FIGURA 9.CLASIFICACIÓN ESTRATEGIAS DEL CONTROL DE SEDIMENTOS EN EMBALSES DE JAPÓN Y EUROPA. ... 22
FIGURA 10.METODOLOGÍA PARA SELECCIÓN ESTRATEGIA DE MANEJO ... 24
FIGURA 11.CONCEPTO SOSTENIBILIDAD EN EMBALSES... 25
FIGURA 12.EMBALSE DE GENISSIAT Y PERFIL DE LA PRESA. ... 26
1.
INTRODUCCIÓN
1.1.
Objetivos
Objetivo general
Realizar un estado del arte referente al manejo de sedimentos en embalses
Objetivos específicos
Revisar aspectos sobre embalses relacionados con procesos de sedimentación e
impactos ambientales
Revisar la literatura sobre las metodologías para el manejo de sedimentos en embalses
Relacionar la literatura consultada con el desarrollo de las metodologías para
embalses sostenibles
1.2.
Antecedentes
Los embalses hacen referencia al volumen de agua formados por la actividad humana para propósitos específicos con el fin de proporcionar y controlar recursos (The British Dam Society; Thornton, Steel, & Rast, 1996). Este término suele confundirse con las estructuras denominadas presa, el cual comprende a la estructura física que retiene el agua y el cuerpo de agua retenida. Para los objetivos de este documento, presa es la estructura construida a través o cerca del flujo natural del agua, y el término embalse denota el agua retenida y almacenada de forma artificial.
El uso de estas estructuras se remonta 5.000 años atrás, cuando la construcción de embalses y presas aportaban al desarrollo de las civilizaciones mediante la regulación de los ríos (Petts & Gurnell, 2004). Hoy en día los embalses son utilizados para proporcionar los siguientes beneficios:
Suministro de agua municipal e industrial
Generación de energía hidroeléctrica
Riego agrícola
Regulación de ríos y control de inundaciones
Navegabilidad
Recreación y estética
A nivel mundial se tiene registro de más de 50.000 grandes presas (estructuras de más de 15 metros de altura según ICOLD), las cuales son capaces de retener el 15% de la escorrentía global (Doyle & Havlick, 2009; The British Dam Society).
Si se observa la figura 1, se puede identificar la variación temporal en la tasa de construcción de presas. Desde finales del siglo 19 las regiones de Europa y América del norte presentaron un constante progreso en la construcción de presas. En cambio, a mediados del siglo 20 en el Mediterráneo, el sur de África, en Asia y América del Sur.
Figura 1. Construcción presas en el mediterráneo, Sur de África y América del Sur.
(World Commission on Dams, 2000)
No obstante, al comienzo los planes para la construcción de presas no eran confrontados con la entrada de sedimentos previstos a los embalses. Con esto, los beneficios económicos y sociales aportados por la capacidad de almacenamiento de los embalses se encontraban limitados por una vida útil finita (De Cesare, 2007); periodo durante el cual el embalse puede ser operado para su propósito original, aunque tal uso genere o no beneficios económicos netos (Morris & Fan, 1998).
Paralelo al constante desarrollo de infraestructura para embalses se torna evidente la necesidad de gestionar adecuadamente la acumulación incontrolada de sedimentos con el fin de evitar las consecuencias inherentes a estas estructuras. Estas consecuencias, algunas
objeto de estudio del presente documento, se pueden resumir en (Morris & Fan, 1998):
Perdida capacidad de almacenamiento.
Incremento en los costos de operación debido a la abrasión de la maquinaria
hidráulica y a la disminución de la eficiencia. Bloqueo de las estructuras de toma y de salida del fondo o daño a las compuertas que no están diseñadas para el paso de sedimentos.
Perturbaciones referentes al régimen hidrológico, el transporte de sedimentos y la
morfología del cauce, los cuales generan cambios aguas arriba y abajo del embalse.
Impactos sobre la biodiversidad
Impactos sobre la calidad de agua en el embalse y aguas debajo de la presa.
Adicionalmente, la sedimentación en reservorios puede reducir rápidamente los beneficios de los proyectos (De Cesare, 2007). La gravedad del asunto se puede ver a nivel mundial,
donde las presas interceptan 4-5 G-toneladas de sedimentos por año; esto es entre el 25% y 30% de la carga global de sedimento fluvial (Doyle & Havlick, 2009). Incluso, se estima que la tasa de sedimentación en los embalses varía entre el 1%-2%; donde los países en desarrollo presentan una tasa más alta (Boroujeni; World Commission on Dams, 2000)
Frente a este paradigma, contemplar el manejo adecuado de sedimentos en proyectos existentes y a futuro son el centro objeto de estudio de una rama de la ingeniería.
1.3.
Definición del problema
A nivel mundial la capacidad de almacenamiento de agua en embalses disminuye a una tasa de 1% – 2%. Incluso, para algunos países la estimación de la tasa correspondiente es más alta. Incluso, si se compara la tasa de perdida de volumen por el proceso de sedimentación en embalses con la capacidad de almacenamiento de agua instalada (ver la figura 2) se observa que la tasa de perdida es más alta con respecto a la oferta de volumen disponible.
Figura 2. Capacidad de volumen de agua instalada y perdida de volumen por sedimentación en embalses.
(Kantoush & Sumi, 2010)
Es por esto que el presente documento es un punto de partida para extender el conocimiento de la problemática inherente a este tipo de infraestructura. También, la gestión adecuada de sedimentos es necesaria para:
Prevenir la sedimentación de las instalaciones de ingesta y las agradaciones del lecho
río arriba, acompañadas por el proceso de sedimentación en los embalses, con el fin de asegurar la seguridad de la presa y el canal del río
Mantener la función de almacenamiento de los embalses, y realizar manutención de
recursos hídricos sostenibles para la próxima generación.
1.4.
Pregunta investigación
1.5.
Justificación
Los embalses son el elemento de un tipo único de infraestructura en el que su producto final, almacenamiento de agua, tiende a aumentar de valor con el tiempo a medida que la oferta de agua es cada vez más escasa en relación con el incremento de la demanda (Morris & Fan, Reservoir Sedimentation Handbook, 1998). Frente a este contexto, este tipo de infraestructura debe ser relacionado junto el concepto de sostenibilidad. Esto con el objetivo de preservar el recurso del agua para las próximas generaciones.
El siguiente documento pretende ser utilizado como punto de partida para evaluar estrategias de manejos de sedimentos mediante modelos matemáticos. La bibliografía revisada y presentada es una ventaja para próximas investigaciones las cuales tengan el objetivo de desarrollar modelos matemáticos.
1.6.
Metodología
El presente documento se desarrolló a partir de los siguientes a partes
I. Revisión referente al proceso de sedimentación de embalses.
II. Selección de los exponentes más relevantes con respecto al impacto generado por embalses, la operación de embalses y las estrategias de manejo de sedimentos III. Finalmente se concluye con respecto a la revisión.
2.
ASPECTOS GENRALES EMBALSES
Posterior a la formación de un embalse se pueden presentar perturbaciones referentes al régimen hidrológico, el transporte de sedimentos y la morfología del cauce, los cuales deben ser entendidas desde una perspectiva holística. El cambio en uno de los tres factores mencionados implica variación en el sistema completo.
Por otro lado, Angela Arthington (2012) afirma que la alteración del funcionamiento natural de las cuencas hidrográficas puede generar modificación del flujo, contaminación del agua, pérdida del hábitat, invasión por especies exóticas y sobreexplotación, amenazas que interactúan entre sí. Estas alteraciones al régimen natural de las cuencas pueden catalogarse dentro de tres tipos: aguas arriba del embalse, dentro del sistema embalse-presa y aguas debajo de la presa (Arthington, 2012).
En resumen, los efectos morfológicos e hidrológicos que se presentan sobre el canal de un rio posterior a la construcción de una presa se muestran en la tabla 1
Tabla 1. Efectos morfológicos e hidrológicos
(Kantoush & Sumi, 2010)
EFECTOS MORFOLOGICOS EFECTOS HIDROLOGICOS
Incisión lecho del río
Inestabilidad en la orilla del río
Erosión en los afluentes aguas arriba
Sobrecarga de agua subterránea
Daños a infraestructura (e.j.
terraplenes y diques)
Cambios en la frecuencia y
magnitud de inundaciones
Reducción de caudales
Modificación de los caudales
estacionales
Adicionalmente a lo presentado en la tabla 1, el fenómeno que en primera medida afecta la operación de los embalses y presas es el proceso de sedimentación resultado de la perturbación del transporte de sedimentos. La siguiente sección abarca el tema.
2.1. Proceso de sedimentación
Como ya se había mencionado anteriormente, la interrupción del flujo natural de un rio mediante la construcción de una presa permite el almacenamiento de agua, como también el estancamiento de los sedimentos transportados. Esto último hace referencia al proceso de sedimentación en embalses, el cual consiste en la formación de depósitos de material grueso y fino causando agradación de la cama y reducción de la capacidad de almacenamiento.
La deposición de sedimentos no es uniforme y se puede dividir en tres zonas; Topset, foreset y bottomset, como se muestra en la figura 3. El topset del delta consiste en el material grueso que se deposita a la entrada del embalse; por efectos de remanso durante altas descargas, formando un delta. Con el tiempo, el delta avanza hacia la presa mientras que la pendiente
del foreset puede ser considerada como un área de inestabilidad y de caída (Boroujeni).
Por otro lado, en la zona denominada bottomset se forma con material fino, es decir, limo y arcilla. Una gran parte de los sedimentos finos transportados en suspensión son transportados más allá del delta, después de lo cual se asientan para formar el lecho del fondo (Boroujeni).
Figura 3. Típica formación del delta en un embalse.
Por otra parte, los procesos de sedimentación dentro de un embalse varían conforme las condiciones dadas en la cuenca tributaria, tales como la producción de sedimentos de las cuencas hidrográficas, la tasa de transporte de sedimentos, la frecuencia de las inundaciones,
la geometría del río, las propiedades de los sedimentos y el uso del suelo (Ahn, 2011). De acuerdo con esto, la sedimentación en embalses se puede clasificar en 4 tipos mostrados en la figura 4.
Figura 4. Tipos básicos de deposición.
(Morris & Fan, 1998)
En respuesta a la perturbación, el canal tiende a ajustarse en un intento por aproximarse a un equilibrio con las descargas y cargas de sedimentos (Kantoush & Sumi, 2010). Acorde con la tenencia hacia equilibrio la balanza de Emory Wilson Lane (1995) abarca este conjunto de respuestas.
La propuesta de Lane consiste en un modelo conceptual que predice de forma cualitativa los efectos generados por la interrupción del flujo de agua, bajo diferentes escenarios. Como se puede evidenciar en la figura 5, la balanza de Lane comprende una relación entre el caudal
líquido unitario (Discharge: 𝑞 =𝑎𝑟𝑒á𝑄𝐿 ), el caudal sólido unitario de fondo (Load: 𝑞𝑆 =𝑎𝑟𝑒á𝑄𝑆 ),
Figura 5. Factores que influencian el comportamiento geomorfológico en un canal natural.
(Morris & Fan, 1998)
La balanza de Lane explica que el canal responde, mediante la alteración del régimen hidrológico, el transporte de sedimentos y la morfología del cauce, cuando se perturba el equilibrio. Con respecto al proceso de sedimentación se presenta cuando la carga de sedimentos se incrementa al haber retención de los mismos y la velocidad del caudal disminuye. Esto induce a la formación de un deposito forzando el gradiente de energía a aproximarse a cero (Mulatu Chalachew ,2013). Es decir, la respuesta inmediata del canal aguas arriba de la presa es la agradación en el canal ya el equilibrio se alcanza forzando un incremento en la pendiente de la zona mediante la deposición de sedimentos.
2.2. Impacto operación de embalses
Las consecuencias de la operación de embalses aguas debajo de la presa no son el objetivo
del presente documento. Sin embargo, a continuación se presenta un breve resumen al cual contempla impactos ambientales y sociales que son tenidos en cuenta en el modelo RESCON. Este modelo permite una evaluación económica y de ingeniería de las alternativas de
estrategias para la gestión adecuada de sedimentos en embalses (Palmieri, Shah, Dinar, & Annandale, 2003)
Los impactos aguas abajo de las presas pueden ser:
Cambios geomorfológicos en el cauce río abajo. Incisión del lecho debido a que la
capacidad de transporte de sedimentos aumenta significativamente.
Aumento de la turbidez.
Cambios en la frecuencia y patrones de inundación.
Reducción del oxígeno disuelto en el río por tiempos prolongados.
Reducción en la concentración de detritos; nutrientes necesarios para la base de la
cadena alimenticia. (Morris & Fan, 1998)
Envenenamiento del ecosistema especialmente donde se liberan los elementos
tóxicos. (Arthington, 2012)
Cambios en la velocidad del rio, afecta la reproducción de algunas especies ya que
los embriones alcanzan una estabilidad en el medio en velocidades máximas de flujo. (Arthington, 2012)
Tamaño de sedimento liberado puede obstaculizar las branquias de especies como el
mejillón
Perdida de actividades económicas como la pesca artesanal.
Cambio en los patrones en la formación de meandros previo a la construcción de la
presa.
Deposición de sedimentos en la toma de agua artificiales, el socavamiento de las
3.
MANEJO DE SEDIMENTOS
3.1. Métodos utilizados contra la sedimentación
A continuación se exponen 4 estrategias utilizadas globalmente para la gestión de sedimentos (Morris & Fan, 1998; Kantoush & Sumi, 2010)
• Reducción del aporte de sedimentos aguas arriba del embalse (Reduction of
Sediment Yield)
• Control del trayecto de sedimentos o enrutamiento de sedimentos (Sediment
Routing)
• Remoción depósitos de sedimentos y lavado de sedimentos (Sediment removal) • Medidas de no manipulación de sedimentos (Adaptative Strategies)
Reduction of sediment yield
Reduction of sediment yield considera las cuencas tributarias de los embalses y el control sobre el aporte de sedimentos con el fin de reducir la entrada de sedimentos al embalse, principalmente mediante tres grupos de estrategias: Control en los procesos de erosión de la cuenca desde la superficie en el yacimiento, control en los procesos de erosión en el canal y la retención de sedimentos erosionados aguas arriba del embalse. (Kantoush & Sumi, 2010)
Las primeras, tienen en cuenta en el área de captación la reforestación y las superficies con abundante vegetación con el objetivo de proteger el suelo de la erosión; causada por el impacto de las gotas de lluvia que desprende las partículas del suelo para iniciar el transporte. Mediante los siguientes procesos ligados a la vegetación, el suelo desarrolla una estructura auto-sostenible que resiste la erosión (Morris & Fan, 1998).
Interceptación de las gotas de lluvia y protección de su impacto directo en el suelo.
Estructuración del suelo que proporciona “agentes físicos y químicos vinculantes en
la forma y raíces de las plantas, hongos micorrízicos y microorganismos”.
Condiciones apropiadas para la fauna de madriguera como por ejemplo lombrices de
Obstáculos en la superficie del suelo (detritos orgánicos, incluyendo tallos de césped,
hojas caídas y ramas) impiden el flujo superficial poco profundo y ayudan a retener el sedimento luego de viajar sólo unos pocos centímetros.
Seguido de esto, los procesos erosivos en el canal pueden ser una fuente significativa de sedimentos si se presenta alguno de los siguientes fenómenos: formación no natural de meandros, incisión natural del canal y ampliación de la sección transversal, y la erosión que involucra el uso del suelo en las actividades humanas. (Morris & Fan, 1998)
Con respecto a este segundo grupo de estrategias se considera “the gully control” el cual puede aumentar la escorrentía, concentrar caudales o disminuir el nivel base de una corriente. Por ejemplo, en las altas zonas de captación de los Alpes las medidas en las carcavas erosionadas se logra a través de la protección de la pendiente y las orillas en los ríos. “the gully control” puede incluir las siguientes medidas (Morris & Fan, 1998):
Desviación de los flujos concentrados lejos de la pared delantera de la carcava que
avanza
Reducción de la pendiente de la carcava utilizando barreras estructurales
Plantar vegetación en el piso de la carcava para retardar el escurrimiento, atrapar el
sedimento y anclar el suelo
Flancos verticales inclinados verticales para crear pendientes estables que luego se
cubren con vegetación
Instalación de revestimiento de canal no erosionable
Por otro lado, el último grupo son medidas de ingeniería que pueden generar resultados a más corto plazo. Estas estrategias son implementadas en las áreas de captación que no son adecuadas para que la vegetación crezca y se mantenga. Las medidas comprenden “check dams” y “farm ponds” (Morris & Fan, Reservoir Sedimentation Handbook, 1998).
Las medidas de cobertura vegetal pueden resolver los procesos erosivos, desde una perspectiva ambiental pero no económica, los problemas de la sedimentación en reservorios (Kantoush & Sumi, 2010). Sin embargo, para una cuenca hidrográfica grande con
condiciones naturales deficientes, la conservación del suelo difícilmente puede ser efectiva en el corto plazo (Morris & Fan, 1998).
Sediment Routing
El enrutamiento de sedimentos consiste en mantener el flujo de sedimentos entrante en movimiento evitando su acumulación en el embalse, ya sea pasando la carga de sedimentos
alrededor o a través de la zona de almacenamiento (Sumi & Kantoush; Morris, 2015). Incluye cualquier método que permita la manipulación hidráulica y/o geometría del embalse reduciendo o enfocando la deposición. Incluso, estas técnicas buscan identificar la porción del flujo de entrada cargada de sedimento y manejarla de forma diferente que el agua clara (Morris & Fan, 1998)
Las técnicas se pueden clasificar como se muestra en la tabla 2
Tabla 2. Técnicas Sediment Routing
(Morris & Fan, 1998)
Sediment Pass-Through Sediment Bypass
1. Seasonal drawdown
2. Flood drawdown by hydrograph prediction
3. Flood drawdown by rule curve 4. Venting turbid density currents
1. On-channel storage 2. Off-channel storage 3. Subsurface storage
Las técnicas de Pass-Through y Bypass de sedimentos se comparan en la figura 6. La principal ventaja de estas técnicas es la preservación natural del transporte de sedimentos en el canal, previo a la construcción de la presa. El enrutamiento de los sedimentos puede ser visto como la técnica para la gestión de sedimentos más amigable con el ambiente.
Figura 6. Clasificación estrategias de enrutamiento de sedimentos.
(Morris & Fan, 1998)
Sin embargo, el enrutamiento de sedimentos es más aplicable en embalses hidrológicamente pequeños donde el agua descargada por grandes inundaciones transportadoras de sedimentos excede la capacidad del reservorio, haciendo disponible el agua para la liberación de sedimentos sin infringir usos beneficiosos (Morris & Fan, 1998). Debido a esto las desventajas de las técnicas de enrutamiento son las siguientes:
Perdida de una cantidad significativa de agua durante las inundaciones para
transportar la carga de sedimentos.
Algunas operaciones de enrutamiento requieren el uso de pronósticos hidrológicos en
tiempo real.
El enrutamiento de sedimentos puede no ser capaz de eliminar el sedimento depositado previamente o pasar la parte más gruesa de la carga de entrada más allá de la presa. Por lo tanto, el enrutamiento debe comenzar tan pronto como sea posible después de la construcción de la presa para preservar la capacidad, y las medidas
suplementarias (por ejemplo, limpieza, dragado) también pueden ser necesarias.
Con respecto al Pass-Through de sedimentos, las primeras tres técnicas aplican Drawdown y Sediment Sluicing. Estos hacen referencia al paso de sedimentos de forma programada durante crecientes con carga alta de sedimentos, reduciendo el tiempo de retención de los sedimentos en el embalse (Morris, 2015).
La técnica de Slucing tiene las siguientes características:
Tiempo de aplicación siempre coincide con el flujo natural de inundación: Reducción
compuertas; permitiendo condiciones de flujo naturales en el transcurso del evento junto con el transporte de sedimentos a través del embalse.
La toma del embalse por lo general se puede operar durante los períodos de Sluicing.
Con respecto a la capacidad de salida pueden pasar grandes inundaciones con un
mínimo de agua retenida.
La descarga de sedimentos en aproximadamente igual a la carga de entrada.
No se genera incisión del lecho del rio.
Las puertas deben operar y estar ubicadas para obtener el perfil hidráulico deseado
durante el Drawdown.
Por otro lado, Turbidity Current Venting Density son caudales cargados de sedimentos que se sumergen bajo el agua retenida el cual no requiere la aplicación de drawdown (Morris & Fan, 1998). La figura 7 muestra el movimiento gravitacionalmente inducido sobre el flujo
inferior turbulento permitiendo este discurra sobre el fondo del embalse hasta la presa, donde se libera o se acumula en el lago de lodo sumergido previo a la salida de bajo nivel.
Figura 7. Paso de las corrientes turbulentas de densidad a través de un embalse.
(Morris & Fan, 1998)
El movimiento hacia adelante de la corriente de turbidez se facilita cuando la corriente sumergida puede fluir a lo largo de un canal definido (reservoir thalweg). Sin embargo, este proceso se torna ineficiente con cada corriente de turbidez descargada ya que el talud del
depósito se vuelve plano y ancho. Esto último porque el canal sumergido se llena de sedimento depositado por sucesivas corrientes de turbidez.
La corriente de turbidez se torna ancha y superficial, con áreas de superficie superior e
inferior más grandes por la deposición de sedimentos en el canal. Esto permite el aumento de la resistencia a la fricción y la deposición y dilución de sedimentos. Ambos procesos disminuyen la densidad y la velocidad de la corriente, lo que eventualmente cause la pérdida de corriente turbulenta. No obstante, la limpieza en vacío puede eliminar y mantener un canal sumergido que ayudará a sostener el movimiento de la corriente de turbidez. (Morris, 2015)
La segunda categoría denominada Bypass de sedimentos consiste en el paso de los eventos de inundaciones cagadas de sedimentos alrededor de la zona de almacenamiento. Esto mediante la construcción de túneles de bypass o de un embalse fuera del canal natural.
Sediment removal
Remoción depósitos de sedimentos y lavado de sedimentos comprende las técnicas que permiten la remoción de los sedimentos acumulados en el embalse (Kantoush & Sumi, 2010). Las técnicas son descarga y lavado de sedimentos, y dragados y excavaciones por métodos mecánicos o hidráulicos.
El lavado de sedimentos o Flushing es uno de los métodos más económicos en la recuperación de capacidad de almacenamiento en un embalse (Peteuil, Camenen, & Guertault, 2013). Comprende las siguientes características:
Lavado exitoso depende del área de la cuenca, la capacidad de almacenamiento del
embalse, la forma de la cuenca del depósito, el despliegue total o parcial, la disponibilidad de instalaciones de salida de bajo nivel
Tiempo de aplicación no coincide con las inundaciones naturales.
El evento de Flushing puede no funcionar la concentración de sedimentos es
demasiado alta y/o el nivel de agua es demasiado bajo.
La descarga de sedimentos generada por el evento en mayor a la carga de sedimentos
que ingresa al embalse
Puede presentarse procesos erosivos en el lecho aguas abajo de la presa
La ubicación de las compuertas debe estar en el nivel más bajo posible para maximizar la erosión en los depósitos de sedimentos formados en el embalse.
Flushing comprende diferentes técnicas, por ejemplo Pressure Flushing y Drawdown
Flushing.
El lavado hidráulico consta de la descarga y vaciado del embalse por una salida de bajo nivel, erosionando los depósitos del embalse y descargándolos a través de la salida. La liberación temporal de los sedimentos erosionados de los deltas formados difiere significativamente de la entrada de sedimentos.
Esta técnica es ampliamente utilizada a nivel global y puede ser utilizada para reducir o detener la acumulación de sedimentos y recuperar la capacidad de almacenamiento del embalse. El tamaño de las partículas removidas está en el rango de arena a grava.
Las principales limitaciones son:
Descargar o vaciar la totalidad del embalse.
La liberación de sedimento presenta concentraciones más altas que las que ocurren
en el flujo natural del rio.
Por ejemplo, en el embalse de Sefid-Rud en Irán la descarga de fondo ejecutada entre 1986-1987 evidencia la temporalidad en la que se permite la salida de sedimentos y la diferencia significativa entre la carga de sedimentos que sale y entra durante el evento (ver figura 8)
Figura 8. Cambio en el flujo estacional de sedimentos generado por flushing en el embalse de Sefid-Rud.
(Morris & Fan, 1998)
El evento presentado en el embalse de Sefid-Rud muestra que la descarga de sedimentos no es controlada y la concentración del hidrograma de salida de la presa dobla la concentración que acompaña una creciente a la entrada del embalse. Esta situación es el elemento que afecta en mayor medida las condiciones ambientales aguas abajo de la presa.
A continuación se presenta la clasificación de las estrategias de manejo de sedimentos en Japón y Europa. La figura 9 resume las estrategias y técnicas hasta ahora descritas junto con un listado de ejemplos de embalses en las que son aplicadas.
Figura 9. Clasificación estrategias del control de sedimentos en embalses de Japón y Europa.
(Kantoush & Sumi, 2010)
Adaptative Strategies
Esta categoría comprende las estrategias para combatir los impactos de la sedimentación que no implican el manejo o manipulación de sedimentos (Morris, 2015). Estas estrategias, que pueden implementarse junto con acciones activas de gestión de sedimentos, son:
Reasignar el almacenamiento y mejorar la eficiencia operativa. Los límites de la
piscina de control de inundaciones pueden ser modificados para reasignar la pérdida de almacenamiento de una manera más equitativa entre los niveles inferiores y
superiores del embalse. Esta es una medida económica en comparación con otro tipo de manejo activo de sedimentos.
Modificar estructuras para evitar sedimentos. “Los sedimentos llegarán finalmente a
estructuras críticas que pueden requerir modificaciones para acomodar la invasión de sedimentos” (Morris, 2015).
Elevar la presa para aumentar el volumen o construir proyecto de reemplazo.
Aumentar el almacenamiento elevando la presa o construyendo otra presa más alta aguas debajo de la existente.
Control y conservación de pérdidas de agua. Disminuir las pérdidas de agua dentro
de todo el sistema, es decir, en la captación, distribución, el tratamiento y el uso por parte de los usuarios.
Infraestructura de desmantelamiento. Desmantelar la presa cuando los costos de
operación superen los beneficios económicos y sociales de la misma.
3.2.
Selección técnica gestión sedimentos
Propuesta de Sumi y Kantoush (2010) es una metodología para la selección adecuada de la estrategia de manejo de sedimentos. Ellos proponen el siguiente algoritmo descrito por la
figura 9
1) Recopilar base de datos de presas en operación y las cuales requieren mejorar la gestión de sedimentos
2) Organizar por orden de prioridad
3) Estimar la relación beneficio-costo cada proyecto teniendo en cuenta el ciclo de vida del mismo. Dar un enfoque a los proyectos más llamativo para el inversionista. 4) Proyectar la carga de sedimentos con base a los reportes históricos de cada presa.
“Aquí, el enfoque estocástico considerando los eventos de inundación extrema se
recomienda para evaluar el rendimiento a largo plazo del sedimento y el proceso de transporte”. Desde dos puntos de vista; desde la presa y aguas abajo de la misma. 5) Diseño del volumen necesario para mantener las funciones originales de las presas
con la capacidad del embalse
6) Diseño del volumen de suministro de sedimentos necesario para mantener el punto 5. 7) Diseño de las condiciones ambientales del río
8) Diseño del volumen de suministro de sedimento y tamaño del material transportado por el rio.
9) Combinar las necesidades presentadas en la presa y aguas abajo de la misma para
seleccionar el escenario apropiado para descargar los sedimentos acumulados en el embalse. Si no existen escenarios adecuados se retorna al punto 3
10)Con base a los escenarios propuestos se seleccionan las medidas óptimas de manejo de sedimentos a partir de varias opciones posibles, tales como las presentadas en la sección 2.1.2. del presente documento. “Si se presentan problemas técnicos
significativos, debemos modificar el escenario”
11)Mediante un análisis de beneficios costos se evalúa la selección en 10. Cuando el proyecto no es económicamente viable se debe revisar el proyecto desde el punto 3 12)Implementar la estrategia seleccionada junto con un plan e monitoreo que permita
asegurar las condiciones ambientales adecuadas.
13) “Monitoreo bajo el concepto de gestión adaptativa”. De no cumplir los objetivos de adaptación de la zona intervenida se reevalúa el proyecto desde la etapa 3
Figura 10. Metodología para selección estrategia de manejo
3.3.
Embalses y desarrollo sostenible
Los embalses deben ser considerados como el medio para un fin, no un fin en sí mismo. La Comisión de Grandes Presas (WCD, por sus siglas en inglés (World Commission on Dams, 2000)) considera que el fin de cualquier proyecto de presa debe ser la mejora sostenible de bienestar humano. Incluso, el concepto esencial de desarrollo sostenible es que el bienestar de la generación futura debe figurar lógicamente en la toma de decisiones del proyecto (Morris & Fan, 1998).
Este consenso global muestra como el concepto de desarrollo sostenible debe ser aplicado a la operación y construcción de embalses. Incluso, considerar este concepto permite afrontar el hecho de que los espacios ideales para desarrollar proyectos de grandes presas no igual de numerosos que a finales del siglo XX. Las represas representan la clase actual de infraestructura no sostenible (Kantoush & Sumi, 2010).
Contrario a este contexto, el concepto de sostenibilidad en embalses que se maneja en los Alpes suizos involucra aspectos de ingeniería, económicos, sociales y ambientales. Como se muestra en la figura 10, la sostenibilidad a largo plazo es una actividad cíclica en la cual se debe evaluar y monitorias las características de un proyecto de presa de forma continua, con el fin de dar prioridad a los aspectos más críticos.
Figura 11. Concepto sostenibilidad en embalses
4.
FRIENDLY FLUSHING
Esta estrategia en un tipo de Flushing que se define como el lavado de sedimentos enviando
aguas abajo de la presa solo la concentración de sedimentos que el ambiente puede asimilar. (Peteuil, Camenen, & Guertault, 2013).
Esta técnica requiere la determinación de las concentraciones máximas y los respectivos tiempos de descarga que no afecten la biodiversidad aguas abajo. También la medición de las concentraciones descargadas en tiempo real; con métodos como Rayos gama, medición de densidad de agua con corrección de temperatura o el método Pan Cake. (Peteuil, Camenen, & Guertault, 2013)
Un ejemplo de la implementación de esta técnica es la presa de Genissia, sobre el rio Whone en Francia. Como se puede observar en la figura 7, la concentración de la compuerta inferior es diluida por la puerta de media profundidad para regular la concentración apropiada aguas abajo de la presa.
Figura 12. Embalse de Genissiat y perfil de la presa.
Friendly Flushing es una técnica vista como costosa debido a las pérdidas de energía; la estación de energía se cierra durante una semana y aumentan los costes de personal para la operación y la supervisión del evento.
Sin embargo el embalse de Genissiat ha presentado como una alternativa rentable. El coste de los sedimentos extraídos es muy débil (≈1 € / ton), mucho menos que el método clásico
con dragado. (Peteuil, Camenen, & Guertault, 2013)
5.
CONCLUSIONES
Cualquier método de manejo de sedimentos que resulte en el retorno a un hidrograma más natural o que incorpore un requerimiento de flujo ambiental probablemente dará resultados ambientales positivos. Esto es el caso del Sluicing, el cual es una estrategia de enrutamiento de sedimentos cuya característica principal es la descarga de sedimentos en la misma estacionalidad que los eventos naturales de inundación.
El uso de flujos de liberación por razones ambientales o manejo de sedimentos puede resultar en una reducción a corto plazo de los retornos financieros del proyecto, pero probablemente conducirá a una mayor sostenibilidad y a una redistribución de los beneficios de la presa. Es por esto que los proyectos de infraestructura deben estar enfocados hacia la sostenibilidad a largo plazo.
Aunque el aspecto económico tiene mayor relevancia en la implementación de proyectos, existen casos exitosos como el embalse de Genissia sobre el rio Whone en Francia los cuales pueden ser utilizados como ejemplos para llamar la atención de los grupos inversionistas. En este embalse se demostró la rentabilidad de la eliminación de sedimentos comparando con
métodos tradicionales como lo es el dragado.
Así mismo, la aplicación del Friendly Flushing en el embalse de Genissia denota la dificultad en desarrollar un protocolo de acciones único para los embalses. Las características hidrológicos y geomorfológicas de cada embalse difieren entre si y por tanto cada una de estas estructuras deben ser objeto de estudio.
6.
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