CURVA DE DURACIÓN DE CAUDALES

López, Mora, & Espejo (2014) afirman que la curva de duración de caudales (CDC) es una útil metodología en el análisis del régimen de flujo de una cuenca hidrográfica y que puede determinarse mediante flujos diarios, mensuales o anuales. La CDC nos permite conocer el porcentaje de un cierto periodo durante el cual los flujos han sido igualados o excedidos. Las CDC señalan de una manera sencilla la permanencia de cierto nivel de caudal; pudiendo ser elevado, medio o bajo, a su vez proporcionan información sobre la variabilidad de la corriente de agua durante un periodo determinado. En la figura 6 se muestra una CDC típica, en la cual se observa en las ordenadas la escala en unidades de caudal (m³/s) y en las abscisas el tiempo de excedencia del caudal en porcentaje (%).

Figura 6. Ejemplo de una curva de duración de caudales en porcentaje.

Fuente: Salazar (2016)

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Según Marín (2011), la CDC es de mucha utilidad en la ejecución de diversos proyectos de ingeniería, por ejemplo, para la puesta en marcha de todo proyecto relacionado con centrales hidroeléctricas de agua fluyente, se requiere construir curvas de duración de flujo a fin de conocer la probabilidad de que un flujo determinado exceda cierto caudal de agua. Por otro lado, según Abdullah (2014), el caudal anual medio que se obtiene da una idea del potencial energético de un flujo de agua, además la CDC se puede aplicar a períodos de tiempo particulares, así como para años particulares.

Salazar (2016) señala que, la CDC es un indicador del comportamiento del flujo volumétrico de agua en un año típico, razón por la cual el área que se encuentra debajo de la curva de duración de caudales es igual al volumen promedio de agua transportada durante un año y cuando esta cantidad obtenida se divida entre la cantidad de días del periodo correspondiente (usualmente un año), se hallará el caudal medio diario. El flujo de agua que corresponde al 50% del tiempo igualado o excedido representa el caudal mediano del periodo.

La CDC se presenta generalmente de dos maneras: La primera es teniendo en el eje de las abscisas el porcentaje de excedencia del caudal y la otra metodología con el eje x en días. El caudal viene dado generalmente en m³/s.

2.4.2. Método tradicional de construcción de CDC – U.S. Geological Survey (USGS) De acuerdo con Salazar (2016) esta metodología consiste en elaborar una única curva de duración de flujo utilizando para ello toda la data de mediciones disponible del flujo objeto de estudio. A su vez, Salazar (2016) expresa que, a los caudales medidos se les denota como q(i), i = 1, 2, … , N, y se les asigna un número de orden para así conformar un conjunto ordenado de datos q(i), en donde N representa la cantidad de

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datos y q(1) y q(N) son el caudal mayor y el caudal menor del conjunto de datos, respectivamente. Luego, se calcula la probabilidad de excedencia de los flujos volumétricos ordenados, esto es, pi. Lo usual es utilizar alguna ecuación que permita calcular la probabilidad de excedencia, como la relación que se muestra a continuación:

𝑝_𝑖 = 𝑃(𝑄 ≥ 𝑞_(𝑖)) = ^𝑖

𝑁+1 ( 8 )

Finalmente, cada caudal q(i) se grafica con su respectivo valor de probabilidad de ser igualado o excedido pi, determinando de esta forma la CDC. De existir valores iguales de caudal dentro del rango de datos, la probabilidad pi de cada uno de estos será la mayor probabilidad calculada para dicho valor.

Según manifiesta Salazar (2016) existen 15 percentiles que permiten representar de forma aproximada la curva de duración de caudales, los cuales permiten abarcar todo el rango de caudales (altos, medios y bajos) y corresponden a los porcentajes de excedencia que se presentan en la tabla 2, donde, por convenio se establece que los caudales del 0.1% al 10% de porcentaje de excedencia, es decir los caudales denotados como Q_0.1, Q_0.5, Q_1.0, Q_5, Q_10, corresponden a caudales altos, los caudales del 20% al 60% de porcentaje de excedencia, esto es Q_20, Q_30, Q_40, Q_50, Q_60 a caudales medios y los caudales del 70% al 99% de porcentaje de excedencia, es decir, Q_70, Q_80, Q_90, Q_95, Q_99, son considerados caudales bajos. A continuación, se muestra la tabla con los percentiles para graficar la curva de duración de flujo.

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Tabla 2. Percentiles para gráfica de CDC Percentiles para gráfica de CDC

Fuente: Salazar (2016)

2.4.3. Principales características de la CDC

La Comisión Nacional de Riego de Chile (2020) señala que la pendiente la CDC fluctúa según la data disponible, esto es, si se trabaja con caudales diarios se genera una curva con mayor pendiente que una hallada mediante caudales mensuales. Si la CDC se grafica en escala logarítmica, obtendríamos una recta; si esta tiene elevada pendiente, estamos ante caudales muy fluctuantes; por otro lado, si la pendiente es pequeña, estamos ante cambios pequeños de caudal. En la CDC de definen los siguientes caudales característicos:

 Caudal medio anual: Valores promedio de los 12 caudales medios mensuales.

 Caudal característico máximo: Caudal rebasado 10 días al año.

 Caudal mínimo probable o de estiaje: es el caudal que la corriente debe suministrar durante todo el año con una probabilidad de excedencia del 95%.

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 Caudal de servidumbre (Qsf): el necesario que hay que dejar en el río por su cauce normal. Incluye el caudal ecológico y el necesario para otros usos.

 Caudal mínimo técnico (Qmt): es aquel directamente proporcional al caudal de equipamiento con un factor de proporcionalidad, K, que depende del tipo de turbina

 Caudal de equipamiento o caudal nominal (Qe): el que puede turbinarse, lo indica el proveedor en su propuesta y corresponde al indicado en la placa del equipo.

2.4.4. Selección de caudal de diseño de la turbina hidráulica según CDC

SHAPES Proyect (2010) señala que el diseño de turbina se basa en la CDC del sitio, una herramienta crucial para optimizar producción y viabilidad del proyecto.

La Comisión Nacional de Riego de Chile (2020) manifiesta que, valores adecuados de probabilidad de excedencia serían de 50% para sistemas conectados a red (On- Grid) y de 75% para sistemas aislados (Off-Grid). Para el caudal de diseño se deberá tener presente dos escenarios: un sistema con respaldo de red (On - grid) o aislado (isla u Off Grid); en el primer caso la confiabilidad es mayor y el diseño puede contemplar un caudal más alto (consecuentemente menor probabilidad de excedencia), en el segundo caso se deberá considerar mayor probabilidad de permanencia.

Finalmente, La Comisión Nacional de Riego de Chile (2020) indica que, la selección del caudal de diseño depende de varios factores y a veces no se elige el caudal que proporciona mayor producción, ya que hay que tener en cuenta otros factores como:

tiempo de permanencia de una determinada potencia (por ejemplo, un sistema aislado), la inversión necesaria, instalaciones existentes que condicionan el flujo a

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derivar (canales, tubería, etc.), los caudales mínimos que pueden dejar fuera de servicio el equipo u otras causas.